Міністерство України з питань надзвичайних ситуацій та у справах

захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи

Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки

Лозинський Роман Якович

УДК 614.846

ОБҐРУНТУВАННЯ ПАРАМЕТРІВ УСТАНОВКИ

ДЛЯ ДИСТАНЦІЙНОГО ГАСІННЯ ПОЖЕЖ

ГАЗОВОДЯНОЮ СУМІШШЮ

Спеціальність 21.06.02 – „пожежна безпека”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Львівському інституті пожежної безпеки Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи.

Науковий керівник: | кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ковалишин Василь Васильович, проректор з науково-дослідної роботи Львівського інституту пожежної безпеки МНС України (м. Львів).

Офіційні опоненти: | доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Пашковський Петро Семенович, перший заступник директора з наукової роботи НДІ гірничорятувальної справи та пожежної безпеки „Респіратор” (м. Донецьк),

кандидат технічних наук, доцент Стась Сергій Васильович, проректор з науково-дослідної роботи Черкаського інституту пожежної безпеки ім. Героїв Чорнобиля МНС України (м. Черкаси).

Провідна установа: | Державний Макіївський науково-дослідний інститут з безпеки робіт у гірничій промисловості, м. Макіївка Донецької області.

Захист відбудеться „ 22 ” грудня 2005 р. о 15 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради СРК.26.720.01 в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки МНС України за адресою: 01011, м. Київ, вул. Рибальська, 18.

З дисертацією можна ознайомитися в Українському науково-дослідному інституті пожежної безпеки МНС України за адресою: 01011, м. Київ,
вул. Рибальська, 18.

Автореферат розісланий „ 21 ” листопада 2005 року.

Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради к.т.н., с.н.с. |

С.І. Сопенко

Актуальність теми.

Основними вимогами до сучасних засобів пожежогасіння в закритих і напівзакритих будівлях середнього і великого об'єму, а також підземних комунікаціях і спорудах є мобільність, автономність і висока інтенсивність подавання вогнегасних речовин протягом необхідного часу. Цим вимогам найбільшою мірою відповідають способи і засоби отримання інертного середовища шляхом спалювання в спеціальних установках вуглеводневого палива з подальшим охолодженням продуктів згоряння водою.

Крім того, газоводяні суміші з низьким вмістом кисню (менше 10%) можна застосовувати не тільки для гасіння пожеж, а й для флегматизування технологічних об’ємів з газовим горючим середовищем протягом необхідного часу.

Відомі установки газоводяного пожежогасіння типу АГВТ досить позитивно себе зарекомендували при гасінні газових фонтанів, але вони не придатні як генератори інертного середовища для замкнених технологічних об’ємів різного призначення, віддалених від установки більше ніж на 15-25 м.

На даний час в підрозділах МНС України відсутні мобільні високопродуктивні установки дистанційного гасіння пожежі в закритих та напівзакритих приміщеннях. Використання такої технології гасіння пожежі газоводяними сумішами стримувалося через відсутність визначення необхідних параметрів їх утворення та подачі, які забезпечували б ефективність припинення горіння. Дослідження процесів взаємодії високотемпературних газових струменів з розпиленою водою в камері охолодження та отримання інертного середовища, транспортування газоводяних сумішей і вплив їх на процеси горіння є актуальною науково-технічною задачею, рішення якої сприятиме безпечному і ефективному гасінню пожеж та проведенню аварійно-рятувальних робіт на енергоємних об’єктах з підвищеною небезпекою.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

До дисертаційної роботи увійшли результати досліджень, отримані під керівництвом і за безпосередньої участі автора згідно з Програмою забезпечення пожежної безпеки в Україні на період до 2010 року, затвердженої Постановою Кабінету Міністрів України від 01 липня 2002 року № 870 та тематичних планів науково-дослідних робіт Львівського інституту пожежної безпеки МНС України на 2004-2005 роки на замовлення Департаменту сил МНС України (номер державного реєстру № 0105U004353).

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є розкриття закономірностей процесів формування і транспортування газоводяної суміші до зони горіння та обґрунтування на цій основі параметрів установки для дистанційного гасіння пожеж.

Основні задачі дослідження:

-встановити закономірності процесу генерування газоводяних сумішей в установках, обладнаних турбореактивними двигунами;

-встановити параметри транспортування газоводяних сумішей до місця пожежі.

- виявити взаємозв'язок газодинамічних процесів, що відбуваються під час генерування вогнегасної газоводяної речовини в установці пожежогасіння дистанційним способом, і розробити алгоритм розрахунку її основних конструктивних параметрів та режимів роботи;

-провести практичну перевірку ефективності застосування установки пожежогасіння із запропонованими параметрами;

- розробити рекомендації щодо застосування розробленої установки при гасінні пожеж дистанційним способом та флегматизування технологічних об’ємів з наявністю горючого середовища на об’єктах з підвищеною пожежною небезпекою.

Об'єкт дослідження. Газоводяна вогнегасна речовина, генерована при взаємодії високотемпературних газових струменів турбореактивного двигуна з розпиленою водою.

Предмет досліджень. Вплив параметрів установки газоводяного пожежогасіння на ефективність її застосування.

Методи досліджень. При проведенні досліджень використовувалися теоретичні і експериментальні методи: моніторинг сучасних високопродуктивних засобів гасіння пожеж і виконаних досліджень процесів охолодження газоводяних сумішей, що генеруються; методи математичного моделювання термодинамічних процесів; тепломасообміну; чисельні методи розв’язання систем диференціальних рівнянь; методи планування експериментів і статистичні методи обробки результатів досліджень; методи подібності при фізичному моделюванні натурних умов на лабораторних установках.

Ідея роботи полягає у застосуванні газоводяної вогнегасної речовини, генерованої при взаємодії високотемпературних вихлопних газів турбореактивного двигуна з розпиленою водою в камері охолодження, для гасіння пожеж дистанційним способом, а також флегматизування технологічних об’ємів з наявністю горючого середовища.

Основні наукові положення, що виносяться на захист, і їх новизна

1. Вперше виявлено закономірності утворення газоводяної суміші в камері охолодження при взаємодії вихлопних газів турбореактивного двигуна з диспергованою водою. При цьому встановлено, що вогнегасна концентрація газоводяної суміші з вмістом кисню менше 10 % і температурою 350 К утворюється за умов подавання в камеру охолодження суміші повітря і диспергованої води та продуктів згоряння вуглеводневого палива двигуна у співвідношенні: 1 кг води на 1,1 кг продуктів згоряння.

2. Вперше виявлено умови запирання потоку газоводяної суміші при подаванні диспергованої води на вхід камери охолодження, яке відбувається за умов, коли статичний напір газоводяної суміші в камері охолодження перевищує швидкісний напір вихлопних газів турбореактивного двигуна. Встановлено, що для зниження градієнта тиску в камері охолодження необхідно забезпечувати подавання розосередженої по її довжині диспергованої води, або збільшити до 1м діаметр камери охолодження.

3. Розкрито механізм утворення газоводяної суміші, яке відбувається в двох напрямах: випаровування краплин за температури 380-400 К у камерах охолодження і конденсація пари при транспортуванні до зони горіння при температурі 340-350 К та утворення краплин води і збільшення їх діаметра. Це дозволяє розраховувати ефективну дальність подавання газоводяної суміші до зони горіння.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій роботи підтверджується:

коректним застосуванням методів математичного моделювання процесів теплообміну при турбулентному перебігу двофазового середовища в обмеженому каналі на основі системи рівнянь гідроаеродинаміки, фазових перетворень, конвекції, а також методів обчислювальної математики;

дотриманням необхідних геометричних, гідродинамічних і теплообмінних критеріїв подібності для фізичного моделювання термодинамічних процесів взаємодії вихлопних газів турбореактивного двигуна з розпиленою водою в натурних умовах і на лабораторній моделі;

використанням методів планування експериментів, теорії математичної статистики і оброблення результатів експериментів, методів комп'ютерного моделювання і факторного експерименту;

задовільною збіжністю результатів теоретичних досліджень з експериментальними даними (відносна похибка не перевищує значень 10%);

широкою апробацією і промисловим упровадженням результатів роботи.

Наукова новизна роботи полягає в розкритті особливостей і закономірностей процесу генерування та транспортування газоводяної вогнегасної речовини при взаємодії високотемпературних вихлопних газів турбореактивного двигуна з диспергованою водою.

Практична цінність дисертації полягає в розробленні і впровадженні нової конструкції камери охолодження високотемпературних вихлопних газів розпиленою водою; створення технологічних схем та конструктивних параметрів отримання газоводяної вогнегасної речовини на мобільних установках газоводяного пожежогасіння, розширення сфери їх застосування; використанні рекомендацій щодо застосування розробленої установки при гасінні пожеж дистанційним способом та флегматизування технологічних об’ємів з наявністю горючого середовища на об’єктах з підвищеною пожежною небезпекою.

Реалізація висновків і пропозицій роботи

Результати дисертаційної роботи впроваджено шляхом розроблення установки газоводяного пожежогасіння з охолоджувальною камерою та її апробацією в ГУ МНС України у Львівській області.

Особистий внесок здобувача полягає:

у формулюванні мети та задач досліджень, її наукових положень, проведенні теоретичних і експериментальних досліджень, а також проведенні натурних випробувань та розробленні рекомендацій щодо застосування запропонованої установки пожежогасіння.

В публікаціях із співавторами основні ідеї належать здобувачеві.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і отримали позитивну оцінку на галузевій нараді з питань охорони праці і пожежної безпеки (2004, НАК “Нафтогаз України”, м. Ялта, АРК), науково-практичній конференції “Шляхи підвищення безпеки гірничих робіт у вугільній галузі” (2004, м. Макіївка), науково-технічній конференції „Надзвичайні ситуації в будівництві” (2005, м. Харків), ХІХ науково-практичній конференції „Пожежна безпека багатофункціональних та висотних будівель і споруд” (2005, м. Москва), наукових семінарах ЛІПБ та УкрНДІПБ МНС України.

Публікації. Основні результати дисертаційних досліджень опубліковано у 11 наукових роботах, із яких 8 у виданнях, що рекомендовані ВАК України, 3-х тезах у матеріалах наукових конференцій, конструкцію охолоджувальної камери захищено патентом України.

Структура і об'єм роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків і додатків. Вона містить 160 сторінок основного тексту, включаючи 20 рисунків, 13 таблиць, список використаних джерел з 104 найменувань, 5 додатків.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У першому розділі проведено огляд і аналіз сучасних високотемпературних технічних засобів гасіння пожеж на об’єктах підвищеної небезпеки, який свідчить, що для ліквідації розвинених пожеж у приміщеннях, застосовують установки, в яких отримання газоводяної суміші здійснюється шляхом спалювання вуглеводневого палива з подальшим охолодженням продуктів згоряння. Але існуючі високопродуктивні установки необхідно удосконалювати у напрямі створення безпечних і ефективних умов ведення аварійно-рятувальних робіт, а також розширення області їх застосування.

Аналізуючи методи дослідження процесу охолодження високотемпературного газу, можна зробити висновок, що для цього використовують як теоретичні методи рішення систем диференціальних рівнянь, так і методи отримання емпіричної залежності в критеріальній формі, кожен з яких має свої переваги і недоліки.

Незважаючи на наявність багатьох оригінальних технічних рішень при створені газогенеруючих установок, що приведені в роботах А.І. Козлюка, В.Л. Макаренка, М.В. Колишенка, М.Б. Дуня та ін., залишаються до кінця не вивченими питання теоретичного і конструктивного плану стосовно вологонасичення і охолодження водою високотемпературних швидкісних потоків, використання вогнегасних газоводяних сумішей з пониженим вмістом кисню для дистанційного гасіння пожеж та флегматизування технологічних об’ємів з наявністю горючого середовища на об’єктах підвищеної небезпеки.

У другому розділі викладено теоретичні дослідження процесів охолодження водою і вологонасичення високотемпературних швидкісних газоводяних потоків інертного газу з урахуванням ряду факторів, а саме: 1) утворення в камері охолодження двокомпонентної безперервної фази (газ + пара) в двофазовому середовищі (газ + рідина); 2) втрати дискретної фази (краплин рідини) не тільки при їх випаровуванні, а втрати, які можуть бути вельми істотними, при зіткненні крапель із стінками довгого каналу з урахуванням сил гравітації; 3) наявність тертя безперервної фази на стінці каналу і внаслідок втрати тиску; 4) наявність теплообміну із зовнішнім середовищем, коли процес стає не адіабатичним.

Найістотнішими особливостями процесів, що відбуваються в двофазових середовищах, слід вважати: а) теплову і механічну взаємодію фаз між собою і з твердими межами (стінками каналів); б) наявність фазових переходів як в одну сторону (випаровування), так і в іншу (конденсація). Найбільш інтенсивно ці особливості виявляються при великих швидкостях руху газу і значних температурах.

Процеси руху двофазових середовищ ще більш ускладнюються утворенням метастабільних нерівноважних станів системи, таких як перегрів рідини і пари, переохолодження пари, скачки випаровування і конденсації. Специфічною особливістю даного середовища є також і той факт, що якщо рідину можна вважати нестисливою, то газ і пара при великих швидкостях і температурах поводяться як стислива рідина. Складність рішення таких задач обумовлена ще можливим різноманіттям форм існування рідкої фази (зважені і великі краплі, плівки на твердих межах).

При розробці математичної моделі вологонасичення і охолодження високотемпературних газових струменів було прийнято такі допущення: 1) до входу в камеру охолодження середовище представляє собою високотемпературний газ, утворений при згорянні палива в турбореактивному двигуні і частково змішаний з повітрям; 2) на вході в камеру і далі по потоку в струмінь газу, що має надзвукову або навколозвукову швидкість, вприскуються з невеликою швидкістю розпилені струмені рідини; 3) ділянка перемішування струменів газу і рідини вважається малою в порівнянні з довжиною камери; 4) середовище, що утворюється при перемішуванні, є сумішшю газу, пари і крапель рідини (коагуляція і дроблення не враховуються); 5) несуча (безперервна) двокомпонентна фаза – газоводяна суміш, є ідеальним газом, що підпорядковується закону Бойля-Маріотта; 6) дискретна фаза – краплі нестисненої рідини, рівномірно розподілені в парогазовому середовищі; 7) в'язкі ефекти в межах кожної фази не враховуються і розглядається тільки в'язка міжфазова взаємодія; 8) механічна взаємодія крапель рідини з парогазовою сумішшю зводиться до газодинамічного опору, що виникає при розузгодженні векторів швидкостей руху фаз; 9) в загальній постановці потік нестаціонарний і одновимірний, направлений уздовж каналу.

З урахуванням прийнятої схеми (рис. 1) уніфікованого модуля рядного ступінчастого охолодження газоводяної суміші із знімальними секціями, на якій косими стрілками вказані струмені краплинної рідини, що поступає через відцентрові форсунки у високотемпературний потік газу (горизонтальні стрілки), а вертикальними стрілками вказані місця стоку рідини, що не випарувалася,

Рис. 1. Схема уніфікованого модуля із знімними секціями ступінчастого охолодження і вологонасичення високотемпературного газу розпиленою рідиною

розроблена математична модель. яка представляє собою систему диференціальних рівнянь і залежностей, достатніх для вирішення поставленої задачі взаємодії водяних і високотемпературних газових струменів як в камері охолодження, так і при русі потоку парогазової суміші по довгих каналах (трубах):

; (1)

; (2)

; (3)

; (4)

; (5)

; (6)

; (7)

, (8)

де ?i – питомий вміст фази; сi – густина суміші, кг/м?;хi – швидкість потоку суміші, м/с; ? – час, с; z- координата у напрямі руху потоку, м; ? – швидкість фазових переходів при випарюванні або конденсації пари, кг/(с•м?); І2 – втрати або стік рідини при зіткненні її із стінками каналу, кг/(с•м?); Р – статичний тиск в двофазовому потоці, Па; F1 – сили тертя потоку на стінці каналу, Па/м; F2 – сила механічної взаємодії між фазами, Па/м; hi – ентальпія потоку або повний тепловміст, Дж/кг;

Qо – кількість теплоти, що втрачається парогазовою сумішшю при обміні з навколишнім середовищем, Вт/м?; Q1 – кількість теплоти, що віддається або сприймається фазою, при конвективному теплообміні, Вт/м?;dк – діаметр краплі, м; Ті – абсолютна температура, К; ?1 – коефіцієнт тепловіддачі газоводяної суміші, Вт/(м?•К); ?2 – коефіцієнт випарювання крапель; R – універсальна газова стала, м?/(К•с?); Sп – площа поверхні всіх крапель в об’ємі каналу, м?; V – об’єм каналу, м?; індекс і = 1 відповідає безперервній фазі, і =2 відповідає дискретній фазі.

Аналіз рівнянь і залежностей (1) - (8) дозволяє отримати основні критерії подібності для моделювання процесів взаємодії водяних і високотемпературних газових струменів в лабораторних і полігонних умовах.

Дотримання цих критеріїв подібності при математичному або фізичному моделюванні процесів взаємодії водяних і високотемпературних газових струменів є необхідною умовою отримання достовірних даних і можливості порівняння результатів теорії і експерименту.

Було розглянуто квазістаціонарний процес взаємодії водяних і газових струменів (), в цьому випадку задача (1) - (8) дещо спрощується, а для прогнозу параметрів газоводяної суміші на виході з камери охолодження складена програма розрахунку на ПЕОМ методом послідовних наближень. На рис. 2, 3 приведені результати моделювання на ПЕОМ процесів вологонасичення і охолодження вихлопних газів установки пожежогасіння АГВГ-100 диспергованою водою.

Рис. 2. Розподіл вздовж камери охолодження газоводяної суміші (1), води (2) і концентрації кисню (3)

при ступінчастому подаванні води;

------ при подаванні води тільки на вході |

Рис. 3. Динаміка температури газоводяної суміші (1) і крапель води (2) вздовж камери охолодження

при ступінчастому подаванні води;

------ при подаванні води тільки на вході |

Прийнято, що камера охолодження відповідає схемі, яка наведена на
рис. 1, при цьому довжина кожної секції дорівнює 1 м, а її діаметр 0,6 м. В камеру охолодження поступає суха суміш продуктів згоряння палива з повітрям, що має параметри вихлопних газів турбореактивного двигуна установки типу АГВГ-100. По ходу руху газоповітряної суміші розташовані відцентрові форсунки на початку кожної секції, які включаються або тільки на вході в камеру охолодження з продуктивністю 15 кг/с, або включаються всі відразу з продуктивністю 5 кг/с в кожному ряду (рис. 2). Швидкість витоку розпилених струменів з температурою 293 К у всіх випадках приймалася рівною 10 м/с, температура зовнішнього середовища (повітря) То = 293 К.

Як свідчать результати розрахунків, при подачі в камеру охолодження відразу на її вході диспергованої води, рівної половині масової витрати продуктів згоряння, утворюється газоводяна суміш, яка досягає граничного для цих умов значення близько 38 кг/с на довжині 1м (рис. 2). Половина диспергованої води не встигає випаруватися і виноситься з камери охолодження. Це приводить до різкого зниження температури газоводяної суміші, що утворилася, після чого (на відстані більше 1 м) зниження температури сповільнюється і вона досягає значення 350 К (рис. 3). При цьому, завдяки теплообміну між фазами, температура диспергованої води підвищується до температури газоводяної суміші.

Подача диспергованої води ступінчасто приводить до виникнення хвилеподібних процесів, але до тих же по суті кінцевих результатів (рис. 2 і 3). Як в тому, так і в іншому випадку вдається створити полум'ягасну парогазову суміш з концентрацією кисню 9 % (рис. 2, крива 3), якщо в камеру охолодження поступає суміш повітря і продуктів згоряння з співвідношенням: 1 кг води на 1,1 кг продуктів згоряння.

Одним з негативних показників подачі диспергованої води тільки на вході в камеру охолодження є можливе запирання потоку газоводяної суміші. До подачі води статичний тиск в камері лінійно знижується (рис. 4, крива 1), що і очікувалось, а при подачі води починає різко підвищуватися (рис. 4, крива 2).

Рис. 4. Розподіл тиску вздовж камери охолодження до подаванні (1), при подаванні диспергованої води на вході (2) і ступінчасто (3), при збільшенні діаметра камери охолодження (4) до 1м

Так, на відстані 1 м різниця тиску досягає майже 0,09•10-4 Па. Зменшити цю різницю можна шляхом ступінчастої подачі диспергованої води вздовж камери охолодження (рис. 4, крива 3), або шляхом збільшення її діаметра, наприклад до 1,0 м (рис. 4, крива 4).

Отримані результати були використані для порівняння їх з результатами експериментальних досліджень і корегування емпіричних констант.

Принциповою відмінністю руху газоводяної суміші в довгих каналах (вентиляційних трубах) є їх довжина, яка в десятки разів перевищує довжину камери охолодження, внаслідок чого вже не можна нехтувати втратами крапель рідини, що залишилися на стінках каналу, втратами теплоти, не дивлячись на ізоляцію від зовнішнього середовища, і аеродинамічним опором при турбулентному русі. Крім того, при русі частково охолодженої газоводяної суміші можливі (замість випаровування) зворотні процеси – конденсація пари на краплях рідини і на стінках каналу, а також втрати газоводяної суміші в місцях з’єднання труб.

Витрата газоводяної суміші визначається в основному тією кількістю газу і пари, які є на вході в канал, оскільки добавка пари до суміші буде незначною через малу кількість крапель рідини в потоці і їх втрат внаслідок зіткнення крапель із стінками каналу, конденсації пари на стінках і дії сил гравітації на краплі.

В турбулентному потоці, обмеженому стінками каналу, витання крапель води в повітрі буде пульсуючим, внаслідок чого краплі дробитимуться, стикатимуться одна з одною і із стінками каналу і залишатимуться на них. Це призведе до того, що у міру руху крапель з потоком їх залишатиметься все менше і менше не тільки через осідання під дією сил гравітації в нижній частині трубопроводу, але і через зіткнення їх із стінками.

Отримано залежності масової витрати крапель рідини (9), а також газоводяної суміші (10) в довгому каналі

, (9)

, (10)

де D- діаметр каналу, м; g- прискорення вільного падіння, м/с?; k1, а- емпіричні коефіцієнти; fо- функція, яка залежить від тиску, температури, швидкості і діаметра крапель.

Прийнявши температуру газоводяної суміші рівною температурі на вході в трубопровід, можна знайти швидкості руху фаз

, (11)

де Фі(z) = Giхi+цiP·S; S- площа поперечного перерізу циліндрового каналу, м?.

Якщо припустити, що при течії в трубопроводі значення температури газоводяної суміші і крапель рідини близьке один до одного, то можна не враховувати їх теплову взаємодію, а температуру фаз знайти з формули

, (12)

де r- теплота пароутворення, Дж/кг; сг, сп- питомі теплоємності газу и пари відповідно, Дж/(кг•К), а тиск в трубопроводі визначимо за формулою

. (13)

Таким чином, отримані аналітичні залежності (9) – (13) для розрахунку параметрів газоводяної суміші і крапель рідини дають наочне уявлення про їх функціональний зв'язок і дозволяють, як показують результати числових розрахунків, з достатнім ступенем точності прогнозувати температуру і склад газоводяної суміші на виході з трубопроводу. Винятком є можливість розгляду аналітичними методами такого явища, як конденсація пари на краплях рідини. Тому разом з аналітичним методом використовується і раніше викладений чисельний метод розрахунку параметрів фаз в каналах різної довжини
(рис. 5,6).

Рис. 5. Динаміка зміни температури і тиску в довгих каналах без конденсації (1) і при конденсації пари (2):

температура;

тиск. |

Рис. 6. Розподіл газоводяної суміші і диспергованої води в довгих каналах без конденсації (1) і з конденсацією пари (2):

газоводяна суміш;

----- диспергована вода

Приймалося, що трубопровід, який має діаметр 0,6 м і приєднаний до камери охолодження АГВГ-100, має гладкі стінки і незначний теплообмін із зовнішнім середовищем, але з втратами води при зіткненні крапель із стінками.

Як показують результати розрахунків, за відсутності конденсації пари на краплях температура по довжині трубопроводу майже не змінюється, знижуючись всього на 7 градусів. В той же час при конденсації пари води на краплях відбувається розігрівання як самих крапель води до 373 К, так і газоводяної суміші майже до 380 К (рис. 5). Це пояснюється тим, що прихована теплота пароутворення переходить в явну теплоту.

Витрата газоводяної суміші в трубопроводі за відсутності конденсації майже не змінюється, а при конденсації зменшується з 37 м?/с до 35 м?/с
(рис. 6). В той же час витрата диспергованої води в потоці знижується в обох випадках, проте при конденсації пари темп зниження менший через те, що краплі води збільшуються в розмірах.

У третьому розділі подані результати лабораторних досліджень процесу тепломасообміну високотемпературних газових струменів з розпиленою водою в камері охолодження, фізичне моделювання цих процесів на моделі та імітаційне моделювання на ЕОМ, а також досліджень транспортування парогазових потоків по довгих каналах.

Якщо на натурі і в моделі дотримується рівність температури, швидкості і складу газової суміші, а також використовуються однакові форсунки для розпилення води, то внаслідок аеродинамічного розпилення рідини досягається подібність дисперсного складу рідкої фази. Оскільки середній діаметр крапель рідини є визначальним геометричним розміром двофазової системи газ-рідина, то цим забезпечується автомодельність режимів за критеріями Рейнольдса, Прандля і Пікле.

Дослідження було проведено на створеній лабораторній установці, що моделює процес охолодження газового потоку диспергованою водою (рис. 7).

Внаслідок випробування лабораторної установки була визначена область найстійкішої її роботи, що відповідала режимам, при яких в камеру згорання поступало від 0,19 до 0,4 кг/с повітря. Був поставлений повний факторний експеримент з вирівнюванням витрати газу на двох, а витрати води на трьох рівнях (ПФЕ 2•3). При цьому склад і температура газової суміші, яка була отримана, відповідали вихлопним газам установки АГВГ-100.

З метою перевірки відтворності результатів вимірювань в кожній точці факторного простору було проведено по три досліди. Перевірка за критерієм Бартлета показала однорідність дисперсії змінених значень температури газоводяної суміші в дослідах. Обчислене значення дисперсії відтворності результатів вимірювання температур по n= 12 експериментах дорівнювало , а залишкової дисперсії .

Рис. 7. Схема лабораторної установки:

1 – компресор; 2 – вентиль; 3 – сопло Вентурі; 4 – камера згоряння;
5 – запальна свічка; 6 – камера охолодження; 7 – потенціометр; 8 – термопара;
9 – водозбірник; 10 – розпилювальні форсунки; 11 – ротаметр; 12 – вентиль;
13 – ротаметр; 14 – вентиль; 15 – насос; 16 – фільтр; 17 – ємність з паливом.

Для перевірки достовірності розробленої математичної моделі процесу охолодження продуктів згоряння були виконані на ЕОМ розрахунки температури газоводяної суміші на виході з камери охолодження при вхідних параметрах процесу, відповідних до кожного з проведених експериментів. Результати розрахунку і експериментальні дані приведено на рис. 8.

Середньоквадратичне відносне відхилення розрахункових і експериментальних значень температури становить 6%.

Співвідношення , що менше від табличного значення
F- критерію Фішера (Fт=2,64) для прийнятої довірчої імовірності 0,95 і ступенів свободи . Таким чином можна вважати, що розроблена математична модель адекватно представляє результати експерименту.

Рис. 8. Залежність температури газоводяної суміші Т на виході з камери охолодження від критерію М і N:

1– розрахункова залежність при М=1,2;

^ – експериментальні дані;

2– розрахункова залежність при М=0,7;

¦ – експериментальні дані;

3– розрахункова залежність при М=1,0;

– експериментальні дані.

Температура газоводяної суміші, що поступає у вентиляційний трубопровід, була представлена в безрозмірному вигляді

, (14)

де М– число Маха; N– параметр, що характеризує вплив паровмісту на теплообмін в камері охолодження, N=Gж/Gп; Gж – витрати охолодженої рідини, кг/с; Gп – витрати рідини, кг/с.

Ця залежність дозволяє виконати оперативні інженерні розрахунки без застосування ЕОМ.

Встановлення взаємозв’язку параметрів процесу охолодження у зручному вигляді для оперативних інженерних розрахунків було проведено при імітаційному моделюванні на ЕОМ з моделлю реальної системи, а не з самою системою. Емпірична залежність за результатами імітаційного моделювання будувалася методом мінімуму максимальної розбіжності між точками експерименту і апроксимуючим поліномом. Апроксимуюча модель була представлена у вигляді полінома другого ступеня.

Критерієм для перевірки адекватності апроксимуючого полінома початкової математичної моделі була вибрана допустима похибка ?доп для досліджуваного параметра, зокрема для визначення температури газоводяної суміші ?Т =25 К, а для втрат тиску – ?р= 0,0015 МПа. Після відсіву статистично незначущих факторів апроксимуючі поліноми мають вигляд:

; (15)

. (16)

Для проведення експериментальних досліджень по транспортуванню газоводяних сумішей по довгих каналах на полігоні прокладався трубопровід з вентиляційних труб діаметром 0,6 м, з’єднаних між собою хомутами, який приєднувався до камери охолодження установки АГВГ-100 (рис.9).

Рис. 9. Схема експериментальної установки дослідження процесу транспортування газоводяної суміші по довгих каналах:

1– установка АГВГ-100; 2– камера охолодження; 3– вентиляційний трубопровід;
4– трубка Піто; 5– термопара; 6– анемометр крильчатий; 7– газоаналізатор кисню;
8–потенціометр автоматичний; 9–водозбірник; 10–манометр U-подібний

Обробка результатів досліджень та їх аналіз дозолили отримати емпіричні залежності зміни по довжині трубопроводу тиску і витрати газоводяної суміші:

, (19)

де Рко – абсолютний тиск газоводяної суміші на вході в трубопровід (на виході з камери охолодження), Па; ?тр – довжина трубопроводу, м; Goпг – витрата газоводяної суміші на вході в трубопровід (на виході з камери охолодження), кг/с.

При цьому середньоквадратичне абсолютне відхилення розрахункових і виміряних значень тиску рівне 2,44 кПа, температури – 22,14 К.

Четвертий розділ містить обґрунтовування параметрів, вибір схеми і розрахунок геометричних параметрів камери охолодження газоводяних сумішей, розробку технологічних схем застосування установки при дистанційному гасінні пожеж на об’єктах підвищеної небезпеки.

Аналіз принципових схем камер охолодження показав, що найприйнятнішою є схема із ступінчастим введенням розпиленої охолоджуючої води і відводом води, що не випарювалася, за допомогою конденсатовідвідників перед кожним наступним ступенем розпилювання.

Розгляд теплового балансу процесу охолодження газів в камері дозволив встановити залежність об’ємного коефіцієнта ?v тепловіддачі від швидкості потоку газоводяної суміші

, (20)

де хг – швидкість вихлопних газів, м/с; q – густина зрошення у водяній завісі, м3/(с·м2), а також розрахувати довжину камери та загальне число зрошувачів пропускною спроможністю qор кожний.

З урахування основних факторів виникнення та розвитку пожежі на об’єктах неминуче доводиться стикатися з необхідністю прийняття рішень з питань тактики їх гасіння. Тому було розроблено блок-схему тактико-технологічного застосування установки АГВГ-100, а також алгоритм розрахунку параметрів роботи установки при активному гасінні пожежі на обєкті.

У п’ятому розділі наведено результати полігонних випробувань запропонованої установки газоводяного пожежогасіння з охолоджувальною камерою під час гасіння макетної пожежі в тунелі ТЕЦ-2 дистанційним способом та оцінка її економічної ефективності.

Випробування дослідного зразка розробленої установки були проведені на дослідному полігоні, а методика випробувань передбачала виконання всіх операцій і дій з обслуговування установки, передбачених розробленими інструкціями щодо її експлуатації. Схема випробувань представлена на рис. 10.

Рис. 10. Технологічна схема дистанційного гасіння пожеж газоводяною сумішшю на об’єктах підвищеної небезпеки:

1– двигун газотурбінний; 2– трубопровід для подачі рідини; 3– камера охолодження;

4– труба вентиляційна; 5– об’єкт підвищеної небезпеки; 6–газоводяна суміш; 7– зона горіння

Результати полігонних випробувань установки газового пожежогасіння з охолоджувальною камерою, виготовленої за обґрунтованими у дисертаційній роботі параметрами, показали її ефективність та відповідність фактичних параметрів розрахунковим.

Загальні висновки

В дисертаційній роботі дано теоретичне обґрунтовування і рішення актуальної науково-технічної задачі розкриття особливостей і закономірностей процесу утворення та транспортування газоводяної вогнегасної речовини, створенні на цій основі високопродуктивної установки, застосування якої дозволить забезпечувати ефективність гасіння пожеж дистанційним способом та флегматизування технологічних об’ємів з наявністю горючого середовища на аварійних об'єктах підвищеної небезпеки.

Основні наукові і практичні результати роботи зводяться до наступного.

1. Результати аналізу способів і технічних засобів гасіння розвинених пожеж та флегматизування технологічних об’ємів з наявністю горючого середовища на об'єктах підвищеної небезпеки показують, що значна частка таких пожеж могла бути ліквідована при застосуванні мобільних, автономних установок газоводяного пожежогасіння, які забезпечують безпечні та ефективні умови ведення аварійно-рятувальних робіт.

2. Для дослідження процесу отримання газоводяних сумішей з концентрацією кисню менше 10% розроблена математична модель механічної і теплової взаємодії високотемпературних газових струменів з розпиленою водою в каналах різної довжини. Встановлено, що фазові перетворення йдуть в двох напрямах: випаровування краплин води – за температур газу 750-800 К в камері охолодження, конденсація пари і збільшення діаметра крапель – при температурах 340-350 К в довгих каналах. Отримано аналітичну залежність для визначення основних параметрів – масових витрат води і газоводяної суміші в двофазовому потоці, швидкості руху і тепловмісту фаз, температури, тиску, концентрації кисню.

3. На підставі числових розрахунків встановлено, що подавання диспергованої води в камеру охолодження ступінчасто вздовж її довжини призводить до виникнення в ній хвилеподібних процесів охолодження, а також до створення газоводяної суміші з концентрацією кисню менше 10 %, яке забезпечує її вогнегасні властивості.

4. Розкрито умови виникнення ефекту запирання газового потоку в камері охолодження при подачі необхідної кількості розпиленої рідини тільки на її вході, встановлено взаємозв'язки між напірно-витратними характеристиками системи подавання води і газового потоку турбореактивного двигуна, що дає можливість на стадії проектування установки, використовуючи ступінчасте подавання розпиленої води в камеру охолодження, а також з варіаціями її геометричних параметрів, добитися стійкої роботи установки в необхідному режимі.

5. Розроблено алгоритми і програми чисельного розрахунку на ЕОМ основних параметрів газоводяної суміші для дистанційного гасіння пожеж на об'єктах підвищеної небезпеки. Визначено вплив довжини каналу на напірно-витратні характеристики установки, при цьому встановлено, що втрати рідини при зіткненні краплин із стінками довгого каналу є істотними, коли сили гравітації перешкоджають тривалому польоту краплин, а втрати тиску і теплоти пов'язані з тертям на стінках каналу і взаємодією з навколишнім середовищем.

6. Методами планування експериментів, а також факторного аналізу було підтверджено достовірність запропонованої математичної моделі процесу охолодження високотемпературного газового потоку диспергованою водою в камері охолодження. Середньоквадратичне відносне відхилення розрахункових і експериментальних значень температури газоводяної суміші на виході з камери охолодження становить 6 %.

7. За результатами імітаційного моделювання на ЕОМ і експериментальних досліджень отримано емпіричні залежності, які дозволяють в умовах аварійної обстановки оперативно розрахувати температуру газоводяної суміші і втрати тиску в камері охолодження.

8. Розроблено принципову схему, створено камеру охолодження, яка забезпечує ефективну роботу установки генерування газоводяної суміші для дистанційного гасіння розвинених пожеж, а також флегматизування технологічних об’ємів з наявністю горючого середовища.

Розрахунковий річний економічний ефект від застосування установки для дистанційного гасіння пожежі газоводяною вогнегасною речовиною дорівнює 73036 грн.

Основні положення дисертації опубліковані в роботах

1. Лозинський Р.Я., Мамаєв В.В. До питання дослідження процесу охолодження високотемпературних продуктів згоряння палива // Пожежна безпека: Зб. наук. праць, ЛІПБ; УкрНДІПБ МНС України.- Львів, 2003.- № 3.- С. 88-91.

2. Лозинский Р.Я., Зинченко И.Н., Мамаев В.В., Ковалишин В.В. Исследование процессов охлаждения и влагонасыщения высокотемпературных газовых струй в ограниченных каналах // Науковий вісник УкрНДІПБ.- 2003.- № 2(8).- С. 22-27.

3.Лозинский Р.Я. Стационарные процессы взаимодействия газовых и водяных струй в камере охлаждения // Збірник наукових праць, Севастопольський ВМІ ім. П.С. Нахімова.- 2004.- Вип 2(5).- С. 183-186.

4. Лозинский Р.Я. Взаимодействие парогазовых струй с распыленной водой // Горноспасательное дело: Сб. науч. трудов, НИИГД “Респиратор”.- Донецк, 2004.- Вып. 41.- С. 138-144.

5. Мамаев В.В., Лозинский Р.Я. Высокопроизводительная мобильная установка тушения пожаров на объектах повышенной опасности // Пути повышения безопасности горных работ в угольной отрасли: Тезисы докладов научно-практической конференции.- Макеевка, МакНИИ, 2004.- С. 348-350.

6. Лозинський Р.Я. Дистанційне транспортування парогазових сумішей до осередку пожежі по довгих каналах // Пожежна безпека: Зб. наук. праць/ ЛІПБ МНС України. – 2004. - № 4. – С. 31-37.

7. Лозинський Р.Я. Визначення параметрів подачі газоводяної суміші для ліквідації пожежі на об’єктах підвищеної небезпеки // Пожежна безпека: Збірник наукових праць ЛІПБ МНС України .- 2004.- № 5.- С. 39-44.

8. Лозинський Р.Я., Дікенштейн І.Ф. Експериментальні дослідження процесу охолодження парогазової суміші дрібнорозпиленою водою // Пожежна безпека: Зб. наук. праць/ ЛІПБ МНС України. – 2005. - № 6. – С. 178-185.

9. Лозинский Р.Я. Иммитационное моделирование на ЭВМ процессов тепломассообмена в камере охлаждения высокотемпературных газов распыленной водой// Зб. наук праць, Харківський університет повітряних сил МО України.- Харків, 2005.- № 7 (47).- С. 108-112.

10. Лозинський Р.Я. Експериментальне дослідження процесу транспортування парогазових потоків по довгих каналах// Науковий вісник УкрНДІПБ.- 2005.- № 1(11).- С. 71-76.

11. Лозинский Р.Я. Условия применения парогазовой смеси при пожаре// Пожарная безопасность многофункциональных зданий и сооружений: Материалы XIX научно-практической конференции. – Москва, ФГУ ВНИИПО, 2005. часть 1.- С 93-95.

12. Заявка № u2005 04537 / Р.Я. Лозинський, В.В. Ковалишин, С.Ю. Дмитровський. Установка газоводяного гасіння пожежі на базі турбореактивного двигуна. Заявлено 02.06.05 р.

Анотація

Лозинський Р.Я. Обґрунтування параметрів установки для дистанційного гасіння пожеж газоводяною сумішшю. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 21.06.02- „пожежна безпека” - Український науково-дослідний інститут пожежної безпеки Міністерства України з питань надзвичайних ситуацій та у справах захисту населення від наслідків Чорнобильської катастрофи, Київ, 2005 р.

Дисертаційна робота присвячена обґрунтуванню параметрів установки для отримання газоводяної суміші та дистанційного гасіння нею пожежі.

Отримано аналітичні залежності для визначення основних параметрів – масових витрат води і газоводяної суміші в двофазовому потоці, швидкості руху і тепловмісту фаз, температури, тиску, концентрацій кисню. Розроблено принципову схему і створено камеру охолодження, яка забезпечує ефективну роботу установки з турбореактивним двигуном для генерування газоводяної вогнегасної речовини при дистанційному гасінні розвинених пожеж, або флегматизуванні технологічних об’ємів з наявністю горючого середовища на об’єктах підвищеної небезпеки.

Методи розрахунку параметрів та зразок камери охолодження газоводяної суміші передано для дослідної експлуатації в Головне Управління МНС України у Львівській області. Результати досліджень та мобільна установка газового пожежогасіння можуть бути використані в аварійно-рятувальних підрозділах для дистанційного гасіння пожеж на об’єктах підвищеної небезпеки в різних галузях господарства.

Ключові слова: установка мобільна, двигун турбореактивний, газоводяна суміш, дистанційне гасіння, пожежа, об’єкт підвищеної небезпеки, струмінь газовий високотемпературний, розпилена вода, камера охолодження.

Аннотация

Лозинский Р.Я. Обоснование параметров установки для дистанционного тушения пожаров газоводяной смесью.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.02-“Пожарная безопасность”.- Украинский научно-исследовательский институт пожарной безопасности Министерства Украины по вопросам чрезвычайных ситуаций и по вопросам защиты населения от последствий Чернобыльской