Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор исследований по теме диссертационной работы и определение цели исследования 11
1.1. Экологическое и экономическое значение лесов Восточной Сибири. Причины и ущерб от лесных пожаров 11
1.2. Технологии прямого тушения лесных пожаров 18
1.2.1. Технологии тушения захлестываем кромки и грунтом 18
1.2.2. Технологии тушения водой и химическими средствами 19
1.2.3. Технологии тушения с использованием воздуходувок 25
1.2.4. Технологии тушения водяным паром 26
1.3. Технологии косвенного тушения лесных пожаров 28
1.3.1. Технологии создания минерализованных полос 28
1.3.2. Технологии тушения пожаров огневым способом 30
1.4. Машины и оборудование, используемые при тушении лесных пожаров 35
1.4.1. Оборудование для тушения пожаров водой и огнегасящими жидкостями 35
1.4.2. Лесопожарные агрегаты и оборудование 44
1.4.3. Грунтометательные машины для борьбы с лесными пожарами и противопожарные плуги 48
1.5. Постановка задачи исследования 51
2. Математическое обоснование технологии косвенного тушения лесного пожара с использованием струи переохлажденного водяного пара 54
2.2. Выбор метода решения и методика обезразмеривания 58
2.4. Анализ устойчивости расчетной схемы 62
2.5. Распределение температур в теле при вариациях интенсивности радиационного нагрева 66
3. Программа и методика экспериментальных исследований 73
3.1. Цели и задачи экспериментов 73
3.2. Аппаратурное обеспечение и методика проведения экспериментов 75
3.2.1. Описание экспериментальной установки 75
3.2.2.Методика исследования влияния начальных термодинамических параметров потока на увлажняющую способность струи 77
3.3. Методика экспериментов по исследованию механизмов повышения смачиваемости элементов ЛГМ 82
3.4. Анализ погрешностей эксперимента 86
4. Результаты экспериментальных исследований 90
4.1. Обоснование термодинамических параметров потока 90
4.2. Влияние параметров охлаждения на динамику процессов увлажнения ... 91
4.2. Обоснование параметров переохлажденного водяного пара при обработке элементов ЛГМ 93
4.3.1. Влияние параметров обработки на ширину создаваемой опорной полосы 93
4.3.2. Влияние параметров обработки на эффективность смачивания ЛГМ 95
4.3. Расчет скорости создания опорной полосы 104
5. Испытания эффективности технологии косвенного тушения лесных пожаров с использованием струи переохлажденного водяного пара 107
5.1. Описание установки для генерации переохлажденного водяного пара 107
5.2. Условия и особенности проведения испытаний технологии косвенного тушения струей переохлажденного водяного пара 109
5.3. Эксперименты по сравнению эффективности технологий 115
5.4. Анализ эффективности технологии создания опорных полос 118
5.5. Тактика тушения низовых лесных пожаров и прокладки заградительных полос с использованием разработанного метода 120
5.6. Рекомендации по использованию разработанных технологических схем 121
Список литературы 124
Приложения 139
- Технологии прямого тушения лесных пожаров
- Выбор метода решения и методика обезразмеривания
- Аппаратурное обеспечение и методика проведения экспериментов
- Влияние параметров охлаждения на динамику процессов увлажнения
Введение к работе
Актуальность работы Интенсивное освоение лесных массивов Восточной Сибири, связанное с появлением разветвленной дорожной сети, новых поселков и других объектов социальной инфраструктуры лесозаготовителей, заметно осложнило пожарную обстановку в нарушенной промышленными вырубками тайге. Соответственно увеличению антропогенной нагрузки на лесную территорию возросла и частота лесных пожаров, причем тяжесть возникшей проблемы обусловлена неблагоприятной спецификой горимости в районах концентрированной заготовки древесины. Установлено, что основное количество лесных пожаров связано с местами промышленной заготовки леса. Изменения в лесу, связанные с технологиями лесозаготовок, в частности разреживание древостоев выборочными вырубками, накопление на вырубках критической массы горючих материалов в виде порубочных остатков способствуют возникновению и развитию лесных пожаров. Лесные пожары приводят к значительным потерям древесины, наносят большой вред лесному хозяйству: уничтожается прирост деревьев, ухудшается состав лесов, затрудняются условия их самовосстановления, усиливаются буреломы и ветровалы, снижается устойчивость деревьев к вредителям и болезням, ухудшаются почвенные условия. Не менее значителен экологический ущерб от лесных пожаров: загрязнение атмосферы продуктами горения, снижение почвозащитных, водоохранных и других средообразующих функций лесов.
Для снижения ущерба от лесных пожаров и для обеспечения условий для возобновления и роста древесных пород и необходимо использовать прогрессивные технологии тушения, позволяющие оперативно локализовать лесные пожары в непосредственной близости от кромки пожара, а также методы очистки лесосек от порубочных остатков. В связи с этим одной из приоритетных задач лесного хозяйства является разработка и совершенствование технологий, направленных на повышение оперативности тушения лесных пожаров и методов очистки лесосек от порубочных остатков.
Выполнение технологического процесса тушения лесных пожаров по существующим технологиям связано с большими затратами энергоресурсов, нарушением лесных биогеоценозов и экологии лесов, ограничено трудностями движения техники по лесу при высокой полноте древостоев. Использование недостаточно производительного ручного труда приводит к увеличению выгоревших лесных площадей. Поэтому поиск путей тушения лесных пожаров на основе применения экологически безопасных, энергосберегающих, экономически выгодных технологий является актуальной задачей.
Целью диссертационной работы является разработка ресурсосберегающей экологически безопасной технологии тушения лесных пожаров на основе применения переохлажденного водяного пара для снижения ущерба лесному хозяйству и сохранения экологических и средообразующих функций лесов.
Задачи исследования:
Провести анализ существующих технологий и оборудования для тушения лесных пожаров.
Провести выбор и обоснование наиболее рациональной технологической схемы применения переохлажденного водяного пара, позволяющей увеличить скорость тушения пожаров средней и высокой интенсивности.
Разработать экспериментальную установку для обоснования оптимальных термодинамических параметров потока и геометрических характеристик выходного сопла, а также разработать методику экспериментального исследования увлажняющей способности струи переохлажденного водяного пара.
Обосновать параметры основных процессов технологии косвенного тушения на основе применения переохлажденного водяного пара с учетом воздействия на окружающую среду.
Провести экспериментальные исследования эффективности технологии косвенного тушения на основе применения переохлажденного водяного пара.
Разработать технологические рекомендации по применению разработанных схем тушения.
Научная новизна. Впервые исследованы механизмы взаимодействия переохлажденного водяного пара с поверхностью элементов лесных горючих материалов (ЛГМ), позволяющие обосновать технологические схемы тушения на основе применения переохлажденного пара, с минимизацией экологического и экономического ущерба для лесозаготовок и лесного хозяйства. Получена зависимость между толщиной пленки конденсата, образуемой на поверхности элементов ЛГМ и скоростью осевого перемещения генератора переохлажденного водяного пара, которая позволила обосновать параметры основных процессов ресурсосберегающей технологии косвенного тушения на основе применения переохлажденного водяного пара с учетом воздействия на лесную среду. Практическая значимость. Разработан новый метод локализации лесных пожаров на основе применения переохлажденного водяного пара, позволяющий снизить потери древесины, ущерб лесному хозяйству и экологический ущерб от лесных пожаров. Новизна подтверждена патентом России на изобретение № 2273503.
Результаты диссертационной работы по новому способу локализации лесных пожаров используются Тайшетским лесхозом (Иркутская область) и в лесхозах Кабанского района республики Бурятия. Соответствующие акты внедрения приведены в приложении к диссертации.
Положения, выносимые на защиту:
Результаты экспериментального исследования термодинамических параметров потока и геометрических характеристик выходного сопла установки парогенератора;
Результаты исследования механизмов взаимодействия переохлажденного водяного пара с поверхностью лесных горючих материалов, позволяющие обосновать технологические схемы косвенного тушения на основе применения переохлажденного пара, а также комбинации пара и тонкораспыленной воды;
Параметры основных процессов технологии косвенного тушения лесных пожаров на основе применения переохлажденного водяного пара;
Экспериментально подтвержденные рекомендации по применению разработанных технологических схем косвенного тушения на основе применения переохлажденного водяного пара.
Обоснованность и достоверность результатов диссертационной работы обеспечена использованием в работе универсальных и апробированных методик измерения, методов математической статистики и средств программного
обеспечения. Достоверность полученных результатов обеспечена статистически обоснованным объемом опытных данных.
Личный вклад автора. Автором сформулирована цель и задачи работы, разработана программа и методика исследований, выполнены теоретические и экспериментальные исследования.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Деятельность правоохранительных органов и государственной противопожарной службы в современных условиях: проблемы и перспективы развития» (г. Иркутск, 2004 г.); Международной конференции «Сопряженные задачи механики, информатики и экологии» (г. Горно-Алтайск, 2004 г.); Российско-Швейцарском научно-практическом семинаре «Проблемы обнаружения, прогнозирования и борьбы с лесными пожарами» (г. Иркутск, 2004 г.); Российско-Монгольском научно-практическом семинаре «Проблемы пожарной профилактики и деятельности государственного пожарного надзора» (Иркутск, 2004 г.); 6-ой Международной конференции «Лесные и степные пожары: возникновение, распространение и экологические последствия» (Иркутск, 5-11 сентября 2005 г.); Научно-технической конференции факультета транспортных систем Иркутского Государственного Технического Университета (Иркутск, 2006); Международной конференции «Пятые Окуневские чтения» (Санкт-Петербург, 2006); Всероссийской конференции «Проблемы Земной цивилизации» 21-24 июня 2007г., Иркутск, 2007 г.
Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 22 работы, из них 5 публикаций в журналах, рекомендованных ВАК. Имеется патент на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, приложений и списка литературы из 120 наименований. Работа содержит 140 страницы текста, 41 рисунок и 10 таблиц.
Технологии прямого тушения лесных пожаров
Технология тушения захлестыванием кромки позволяет оперативно тушить слабые, только начавшиеся пожары на небольшой площади при помощи подручных средств, всегда имеющихся в лесу. Эта технология эффективна при тушении кромки низового пожара на легких почвах с покровом из мхов и лишайников. Но при тушении крупных пожаров использование данного способа представляется невозможным из-за опасности воздействия опасными факторами пожара на пожарных [4,6].
Технологии тушения грунтом используются при тушении слабых и реже средней интенсивности пожаров и пригодны только на песчаных, и супесчаных почвах. Прекращение горения происходит за счет охлаждения кромки и снижения доступа кислорода в зону пиролиза. В качестве средств для реализации технологического процесса тушения грунтом могут использоваться простые средства (лопаты) и сложные агрегаты - тракторные грунтометы. Если тушение производится при помощи лопат, то огневая кромка забрасывается землей; причем для этого необходимо использовать минеральную часть почвы, минеральный грунт - песок, глину, супесь, суглинок. Этот способ позволяет оперативно ликвидировать пожар на начальной стадии горения, однако низкая скорость тушения и высокая трудоемкость накладывает и ограничение по интенсивности горения [51].
Применение грунтомета позволяет сбить пламя в кратчайший срок. Однако маневренность грунтометов обеспечена только в редкостойных насаждениях. Кроме того, использование грунтомета, агрегатируемого с трактором, небезопасно в непосредственной близости от кромки пожара.
Эффективность технологий, основанных на использовании воды обеспечивается высокой огнетушащей способностью воды и обуславливается ее значительной теплоемкостью (4,19 кДж/кг), высокой теплотой парообразования (2260 кДж/кг), подвижностью, химической нейтральностью. Вода, попадая в зону горения, оказывает охлаждающее воздействие на зону пиролиза, разбавляет горючие газы образующимся при испарении воды паром, а также повышает влагосодержание горючих материалов [44].
Технология тушения компактными струями применяется лишь при наличии достаточных запасов воды. Мощная компактная струя разрушает структуру горящих материалов, перемешивает их с грунтом и отбрасывает на уже пройденную огнем территорию [51]. Большие потери воды при использовании этой технологии происходят за счет того, что вода используется не как химическое средство, обладающее высокой теплотой парообразования, а как механический рабочий орган.
Для подачи воды на кромку используются пожарные мотопомпы, насосные установки пожарных автоцистерн. Вода подается из естественного источника или резервуара при помощи насоса по пожарным рукавам.
Подбирается площадка у водоисточника для забора воды в соответствии с техническими требованиями эксплуатации мотопомп.
Определяется направление прокладки магистральных рукавов, способы усиления подачи воды и порядок развертывания работ при тушении пожара.
Выбор метода решения и методика обезразмеривания
Таким образом, третья разностная схема, хотя и имеет второй порядок аппроксимации как относительно И, так и относительно г, абсолютно неустойчива при любом соотношении шагов и, следовательно, непригодна для аппроксимации поставленной задачи. Результаты проведенных исследований показывают, что, обе разностные схемы: Д" = /(Л) и L[2) = /(Л) аппроксимируют данную задачу на решении с порядком /г2 и устойчивы. Решения Т разностных задач 4П = /(Л) и 2) _ у с-) сходятся к [г},, причем имеет место оценка [г]А-Г(Л) с-А2, (2.4.17) где [г]А,Г(А)-соответственно точное решение задачи и решение разностной задачи. Поэтому в случае значительного изменения граничных условий для расчета температур на границе тела целесообразно использовать следующее конечно-разностное уравнение: 1 ш+1,п 1 т,п г 1 m-l,n 1 ш,п+1 1 т,п „ _ _ [J П X имеющие второй порядок аппроксимации относительно И и первый порядок аппроксимации относительно т. Принятая вычислительная схема не теряет т 1 устойчивости при следующем соотношении шагов сетки: — —. 2.5. Распределение температур в теле при вариациях интенсивности радиационного нагрева При увеличении или уменьшении плотности распределения элементов фитоценоза вероятно отклонение от основного, квадратичного закона изменения интенсивности излучения в сторону уменьшения или увеличения нелинейности. В связи с этим рассмотрим 3 модели изменения закона интенсивности излучения: 1) линейный закон; 2) квадратичный закон 3) кубический закон Линейный закон Законы изменения интенсивности излучения Квадратичный Закон Кубический закон и О a oi Я 0.2 0.4 0.6 0.8 Рисунок 14 - Динамика изменения теплового потока (при нарастании и убывании) На рисунке 2.5 представлены графики нарастания и убывания интенсивности теплового излучения для рассматриваемых законов. Во всех трех случаях суммарное количество лучистой энергии переданной на поверхность одинаково. Результаты расчетов распределения температур по толщине слоя ЛГМ при нарастании и убывании интенсивности теплового излучения для всех рассмотренных законов изменения интенсивности излучения представлены на рисунке 2.6. Как следует из полученного графика, при условии равенства тепловой энергии, переданной на границу тела, распределение температур существенно зависит от знака изменения интенсивности излучения. Так, при нарастании интенсивности теплового потока, температура на границе тела значительно выше, чем в случае его убывания для любого закона изменения интенсивности излучения. В случае линейного закона изменения интенсивности излучения температура на поверхности тела при нарастании интенсивности теплового потока в 2 раза выше по сравнению со случаем его убывания, что наглядно продемонстрировано на рисунке 2.7. Как видно из рисунка 2.8, в случае квадратичного закона температура на границе тела в случае нарастания интенсивности теплового потока приблизительно в 3 раза больше по сравнению со случаем убывания.
Аппаратурное обеспечение и методика проведения экспериментов
Для исследования влияния начальных термодинамических параметров потока на увлажняющую способность струи переохлажденного водяного пара была разработана экспериментальная установка, позволяющая проводить эксперименты при различных параметрах насыщенного пара.
В результате анализа результатов исследований характеристик двухфазного потока при адиабатном истечении жидкости из каналов различной формы [56, 57], а также исследований [104], было принято решение об использовании специальным образом спрофилированного сопла, имеющего отношение длины сопла к диаметру выходного сечения L/d 10.
Установка состоит из собственно парогенератора, системы средств измерения параметров и системы контроля и управления параметрами его работы и средств измерений. Принципиальная схема установки приведена на рис. 3.1.
Парогенератор 1 представляет собой расходный бак 1 высотой 0,65 м, внутренним диаметром 0,35 м и толщиной стенок 12 мм с системой нагрева воды 2. Общий объем бака 0,225 м . С целью предотвращения окисления элементов конструкции в процессе длительной эксплуатации, расходный бак выполнен из нержавеющей стали марки Х18Н10Т. Снаружи бак, для уменьшения тепловых потерь, теплоизолировался. На крышке, которая герметично крепится к расходному баку при помощи болтов, вмонтирован установочный узел для сменных осесимметричных каналов, совмещенный с теплообменником 3.
Теплообменник представляет собой устройство, состоящее из металлического кожуха 1 и системы трубопроводов, соединенных с расходной и сливной емкостями. Кожух выполнен в виде стальной трубы с наружным диаметром 50 мм, толщиной стенок 2 мм и длиной 180мм, в которую встроено крепежное устройство 2 для пара. Оно представляет собой патрубок диаметром 20 мм толщиной стенок 2 мм, выполненный из нержавеющей стали и вваренный в полость кожуха симметрично его оси. Кроме того, на крышке установлен датчик давления типа ДДМ 4, продублированный образцовым манометром для измерения давления насыщенного пара в баке, пределы изменения которого согласованы с величиной ожидаемого сигнала.
Система нагрева воды 2 включает в себя: - систему постоянно работающих нагревательных элементов; - систему нагревательных элементов, приводимых в рабочий режим при помощи отдельных выключателей. Для обеспечения плавной регулировки, один из нагревательных элементов подключен через трансформатор.
Для того чтобы не допускать интенсивного бурления воды расположенные внутри бака электрические нагревательные элементы распределялись равномерно по всему объему бака. Максимальная мощность каждого из 6 электронагревательных элементов 2,5 кВт. Расчетное напряжение электронагревателей 220В. Питание установки осуществлялось от сети переменного тока с напряжением 220 вольт. Для переноски экспериментальная установка оборудована ручками, а для установки на твердую поверхность ножками.
Система управления позволяла контролировать параметры торможения внутри бака. Поддержание требуемого давления пара обеспечивалось электрическим сигналом, подаваемым с датчика давления ДДМ-200ДИ с пределом допустимой основной погрешности ±1%.
Электрический сигнал поступал с датчика давления на реле исполнительного механизма, что приводило к включению или выключению соответствующих нагревательных элементов системы регулирования температуры по давлению.
Влияние параметров охлаждения на динамику процессов увлажнения
В ходе экспериментов определялась интенсивность увлажнения W элементов пористых поверхностей помещаемых на ось струи пара на различные расстояния L от среза выходного сопла в диапазоне от 0,05 м до 2,5 м с интервалом 0,05 м при различных параметрах охлаждения.
Под интенсивностью увлажнения подразумевается масса конденсата, которая оседает на единичной площади (м2) пористой увлажняемой поверхности в единицу времени (с).
Эксперименты проводились при давлении торможения потока порядка 0,182 МПа, обеспечивающем минимальную температуру пара на выходе из сопла парогенератора. При этом пар подвергался дополнительному охлаждению перед его подачей в сопло парогенератора.
Результаты исследований представленные на графике (рисунке 4.2) отражают зависимость интенсивности увлажнения от удаленности от сопла парогенератора при различных параметрах охлаждения и соответствуют давлению торможения потока Р0=0,182 МПа.
Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что наибольшей увлажняющей способностью обладает начальный участок струи пара, по мере удаления от сопла увлажняющая способность струи резко снижается. Дополнительное охлаждение пара перед входом в сопло парогенератора, оказывает существенное влияние на динамику процессов увлажнения струей пара. Наиболее сильное влияние параметры охлаждения оказывают на увлажняющую способность начального участка струи пара, в зоне термодинамической неравновесности. Для повышения увлажняющей способности струи пар следует охлаждать перед подачей в сопло парогенератора. Для этого конструкция парогенератора должна быть оснащена теплообменником.
При обосновании параметров обработки струей переохлажденного водяного пара и технологических особенностей операции создания опорной полосы автор основывался на следующих положениях: 1) Ширина опорной полосы повышенного влагосодержания должна составлять не менее 0,3-0,5 м; 2) Влагосодержание ЛГМ в зоне опорной полосы должно достигать критических значений.
Учитывая данные о ширине струи переохлажденного водяного пара на различных удалениях от сопла парогенератора, полученные И. С. Щербаковым [104], а также зависимость между толщиной пленки конденсата и скоростью перемещения источника пара получены данные о распределении слоя конденсата по ширине полосы увлажнения при различных скоростях перемещения источника пара (рисунок 4.3).
Как видно из полученного графика сконденсировавшаяся влага распределяется неравномерно по ширине созданной полосы увлажнения. При скорости создания полосы 2 км/ч область максимального увлажнения, в которой влагосодержание ЛГМ значительно превышает предельные значения, составляет порядка 0,1 м и расположена в центре опорной полосы. По мере удаления от центра к периферии интенсивность увлажнения ЛГМ снижается.
Учитывая, что визуально обозримая длина струи составляет не менее 1,96 метров, то в результате перемещения подвижного источника переохлажденного водяного пара вдоль элементов ЛГМ образуется полоса повышенного содержания шириной порядка 0,8 м. При этом ось струи ориентирована под углом 10-12 к подстилающей поверхности.
Таким образом, технологическая операция создания опорной полосы при помощи струи переохлажденного водяного пара состоит в следующем: оператор, снабженный парогенератором, перемещается вдоль увлажняемой поверхности со скоростью порядка 1-1,5 км/ч. Ось струи пара должна быть направлена под углом 10-12 к подстилающей поверхности.
