Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Окружающая среда и условия работы водителей ПА на пожарах. Цель и задачи исследования ; 16
1.1 .Состави влияние на здоровье водителей ПА ОЕДВС. 16»
1.2. Конструктивные особенности пожарных автомобилей . 23*
1.3; Нормирование вредных ингредиентов 01? автомобильных двигателей;...28!
1.4'. Основные направления снижения токсичности и дымности ОЕ ДВЄ...38
1.5іМоделирования процессов нейтрализации ОЕ в системах выпуска ОЕ
ATG; 52
1.6. Цель и задачи^ исследования. 53;
Глава 2. Теоретические и расчетные обоснования выбранных направлений исследования ; 54
2.1. Аналитическое обобщение представлений о кинетике и теплофизике процессов; протекающих в БКК. 54!
2.21 Разработка инженерной методики расчета мощности дополнительного принудительного подогрева ОЕ в каналах БРКК . 63 і
Глава 3; Обоснование опытно-конструкторских разработок и общей методики экспериментальных исследований ; 73
311. Разработка опытного образца глушителя-нейтрализатора. 73
3121 Разработка конструкции разогреваемого блочного каталитического; конвертора; 741
3.3; Разработка системы каталитической нейтрализации ОЕ с БРКК для ПА АЦі5-40(43101)ПМ-5241 78
3.41 Разработка стационарной установки каталитической очистки ОЕ 81
3.5: Методики экспериментальных исследований. 83
31511. Методика экспериментального исследования массовых концентраций і вредных веществ в воздухе рабочей зоны при эксплуатации пожарных автомобилей . 83
315;21 Методика стендовых испытаний глушителя-нейтрализатора 90?
315 3; Методика экспериментальных исследований эффективности систем каталитической нейтрализации по снижению вредных выбросов ДВС ПА. 92к
3.5.4. Методика экспериментальных исследований газодинамических характеристик FHK-43101. 98 \
3.6. Определение погрешности результатов экспериментальных исследований. 101'
316.1. Определение погрешности результатов экспериментальных исследований эффективности систем каталитической нейтрализации с БРКК
по снижению вредных выбросов с ОГ ДВС ПА 101?
3.6.21 Определение погрешности результатов экспериментальных исследований газодинамических характеристик FHK-43101. 102:
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ 103
4.1. Результаты экспериментального исследования массовых концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны при эксплуатации пожарных автомобилей. 103
4.21 Результаты стендовых испытаний глушителя-нейтрализатора 106
4.31 Результаты экспериментальных исследований эффективности систем каталитической нейтрализации с БРКК по снижению вредных выбросов с OF ДВС ПА. 111
4:3.1. Результаты экспериментальных исследований эффективности FHK-43101. 111
413.2. Результаты экспериментальных исследований эффективности стационарной установки каталитической очистки OF. 113
4.4. Результаты экспериментальных исследований газодинамических характеристик ГНК-43101. 115
Общие выводы. 116
Список использованной литературы
- Конструктивные особенности пожарных автомобилей
- Разработка инженерной методики расчета мощности дополнительного принудительного подогрева ОЕ в каналах БРКК
- Методика экспериментального исследования массовых концентраций і вредных веществ в воздухе рабочей зоны при эксплуатации пожарных автомобилей
- Результаты стендовых испытаний глушителя-нейтрализатора
Введение к работе
Воздействие вредных веществ, содержащихся в отработавших газах двигателей s внутреннего сгорания і на здоровье человека продолжает оставаться одной из актуальных проблем обеспечения его экологической безопасности.
Мировой ежегодный выброс вредных веществ от автомобилей составляет более 500 млн.т. углеводородов, 200 млн.т. оксида углерода и 20 млн.т. окислов азота:
Во^ многих городах России выбросы автотранспорта преобладают над выбросами; стационарных источников. Так, например, в Москве в 2002 году автотранспортом s было выброшено 586 тыс.т. вредных веществ, что составило 66%> от суммарных выбросов вредных веществ. К крупным городам с определяющим вкладом выбросов относятся в; первую очередь Санкт-Петербург, Тюмень, Екатеринбург, Оренбург и Нижний Новгород.
В нашей стране гигиеническими нормативами допустимого содержания в атмосфере вредных веществ являются предельно допустимые концентрации (ПДК). По определению, данному в [74]^ "ПДК - это такие; концентрации; которые; не; оказывают на < человека* и; его потомство прямого или=косвенного воздействия, не ухудшают его; работоспособности, самочувствия, а так же санитарно-бытовых условий * жизни людей" 1 При оценке состояния загрязнения; воздуха средние концентрации примеси за месяц (год) сравниваются с ПДКд.д. длительного действия. Концентрации; осредненные за 20 минут сравниваются с: максимальными разовыми ПДКм.р.
Минздравом России разработаны и утверждены ПДК для населенных мест на несколько сотен веществ.
Во многих городах мира концентрации; вредных веществ в воздухе, создаваемые выбросами; автотранспорта, превышают стандартные качества атмосферного воздуха. В; связи с этим проблема; снижения; негативного воздействия автотранспорта на здоровье людей; воздушный и водный бассейны, растительный и животный мир, почву весьма актуальна.
В! наши дни автомобиль стал одним из необходимых атрибутов повседневной жизни людей в развитых странах. В 90-е годы в мире насчитывалось свыше 600 млн. автомобилей, по прогнозам к 2010 г. их число может достигнуть 1 млрд. /103/. Более 1/3 автомобильного парка сосредоточено в Западной Европе и Северной Америке. При росте населения за последние годы в 4-х развитых странах - Германии, Швейцарии, США и Франции в 2 раза парк автомобилей возрос в 4 раза. В западноевропейских странах на 1000 жителей приходится в среднем 322 легковых автомобиля, в США - 540, Венгрии -168 /101,107/. В 1999 г. японский автомобильный парк насчитывал 58 млн. автомобилей (т.е. 1 автомобиль на 2 человека) /111/. В развивающихся странах владение легковыми автомобилями на душу населения значительно отстает от развитых стран (в 1985 г. оно составило 5%) /124/. Однако следует отметить в последние годы рост автомобильного парка бывших социалистических и развивающихся стран за счет импорта < устаревших автомобилей с «грязными» двигателями /17/.
В общем валовом выбросе вредных веществ в атмосферу в странах ЕЭС на долю автотранспорта приходится до 70% выбросов оксида углерода, до 50% выбросов оксидов азота (во Франции и ФРГ до 60.---70%) и до 45% выбросов углеводородов. Почти 90% выбросов свинца падает на долю автотранспорта в странах ЕЭС. В ФРГ выброс свинца составляет 3 тыс. тонн в год. В этой стране на долю выбросов автотранспорта приходится 59,2% оксида углерода, 57,3% оксидов азота, 76,8% углеводородов, 10,7% пыли и 3,6% диоксида серы от валовых выбросов в атмосферу всеми видами транспортных средств. В Италии вклад автотранспорта в загрязнение атмосферы также преобладает и составляет: по оксидам азота - 61,4%, оксиду углерода - 90,9% углеводородам -76,9%/89Д06,132У.
В Российской Федерации по данным ежегодных обзоров / 337 в.2001 г. выбросы автотранспорта составили 62% от суммарных выбросов вредных
веществ (67% по оксиду углерода, 32% по диоксиду азота, 34% по углеводородам).
Преобладание выбросов автотранспорта является особенностью крупных городов, где проживает большинство населения. В= целом; вклад выбросов автотранспорта в> крупных городах составляет: оксида углерода; 88-98 %,. углеводородов 63-95 % и диоксида азота 19-53 % от суммарных выбросов каждого вещества.
По данным ежегодных обзоров о выбросах вредных веществ во многих городах России выбросы автотранспорта преобладают над выбросами; от промышленных источников причем, в 12 городах выбросы автотранспорта превышают 100 тыс.т./год / 37 /. Наибольшие выбросы от автотранспорта;в 2002 г. были отмечены в городах Москве, Тюмени, Перми, Хабаровске и др.
Повышенное загрязнение воздуха выбросами автотранспорта характерно для городов, как зарубежных, так и России, причем- уровни г содержания токсичных веществ і в городском воздухе соизмеримы. Основными причинами такой' соизмеримости (при значительно меньшем автопарке в нашей стране) являются крайне низкое техническое состояние наших автомобилей и некачественное топливо.
В настоящее время отсутствуют точные количественные оценки ущерба, наносимого выбросами автотранспорта окружающей среде и народному хозяйству, однако значительная; доля ущерба (до 80%) связывается с заболеваниями населения. По данным американских ученых, при; эпидемиях гриппа количество заболеваний! в городах с повышенным уровнем загрязнения диоксидом азота и оксидом углерода в 10 раз больше, чем в городах, где экологическая обстановка благополучная /102/.
Значительный ущерб здоровью: людей наносят выбросы свинца; и; его соединений, содержащихся в автомобильном топливе.
Исследования, проведенные в городах Японии /130/ и Каире /112/, показали, что концентрации свинца в крови* дорожных полицейских и
водителей были в 2 - 2,5 раза выше, чем у сельских жителей. Уровни свинца не коррелируют с возрастом, сроком службы. Говорится о том,. что такие уровни свинца в крови у дорожных полицейских могут рассматриваться, как приемлемые для данной профессии.
Выбросы от автотранспорта являются* одной: из причин повреждения и гибели лесов в некоторых странах Европы. В целом в Альпах вследствие загрязнения воздушного бассейна повреждено более 80% лесов /106/.
Наиболее широкие исследования ведутся по оценке негативного воздействия свинца, обладающего способностью накапливаться в растениях, в том числе и сельскохозяйственных культурах.
Поэтому во всем мире на первый план вынесена проблема снижения негативного воздействия автотранспорта на здоровье людей, воздушный и водный бассейны, растительный и животный мир.
Комплексный подход к решению задач по охране окружающей среды от.
воздействия автомобильного транспорта включает проведение
международных, государственных, региональных и местных
административно-хозяйственных, конструкторско-технологических,
юридических и экономических мероприятий.
В связи с этим законодательные власти многих стран, в том числе и Россия, проводят политику снижения максимально допустимых значений концентрации вредных составляющих в» отработавших газах и выброса тяжелых, металлов в атмосферу, а также проводят работу по согласованию принятых в различных странах норм.
Конституцией РФ гарантируются права каждого гражданина нашей страны на благоприятную окружающую среду и на охрану здоровья (статьи 37 и 42) [2]. Закон РФ "Об охране окружающей среды", обязывает предприятия внедрять мероприятия по охране окружающей среды, а также предусматривает ответственность и возмещение ущерба при нарушении установленных норм.
Ві порядке реализации закона "О пожарной безопасности", решений совместных научно-практических конференций и совещаний производителей пожарной; техники^ и: их потребителей в начале 2000 года ГУГПС была: разработана» и утверждена "Концепция развития производства пожарных автомобилей і в Российской Федерации'' [18], которая определила основные направления в области; разработки, производства, испытаний* и эксплуатации пожарных автомобилей; Одним из приоритетных направлений] является развитие производства пожарных автомобилей на базовых шасси с дизельными двигателями, имеющими существенное преимущество перед бензиновыми, В і основном, за счет экономичности и меньшей токсичности ОГ.
"Концепцией ..." определена задача создания* специальных шасси для пожарных автомобилей, обладающих повышенными динамическими качествами при высокой грузоподъемности, на базе серийно выпускаемых автомобильными заводами (ЗИЛ, "Урал", КамАЗ,* ГАЗ). На пожарных автомобилях предполагается устанавливать форсированные двигатели и технические устройства, способствующие ускоренному выходу их на оптимальный тепловой режим. Кроме того шасси должно * обеспечивать возможность съема стационарной мощности для привода специальных агрегатов, причем время допускаемой непрерывной работы двигателя в этом і режиме — не менее 6 часов; иметь высокую і проходимость и запас мощности, необходимые для преодоления труднопроходимых участков, в зоне пожара.. Система электрооборудования должна быть рассчитана на установку дополнительных потребителей электроэнергии.
Доля отработавших газов двигателей пожарных автомобилей в общем балансе вредных выбросов всех грузовых и легковых автомобилей чрезвычайно мала в виду малочисленности пожарных машин. Однако, специфика эксплуатации и конструктивные особенности пожарных автомобилей такова, что отработавшие газы двигателей сильно ухудшают условия труда водителей в период подачи огнетушащих веществ к месту пожара. Газовыпускные системы
пожарных автоцистерн? отличаются? от серийных грузовых автомобилей. Это отличие обусловлено следующими < обстоятельствами: кинетическая и тепловая: энергия? отработавших: газові используется* для і приведениям в действие газоструйного вакуумного^ аппарата в момент заполнения центробежного і насоса водой, а также для обогрева; емкостей с огнетушащими веществами, кабины личного «состава и; насосного отделения. В итоге отработавшие газы; выходят в» атмосферу под насосным- отсеком» — в: зону, где:непосредственно находится водитель, осуществляющий управление и техническое обслуживание насосной установки.
Такимj образом; при работе насосного агрегата* на пожаре может иметь место, существенные превышения ПДК* вредных веществ в! рабочей зоне водителя.
Одним5 из; требований^ нормативных документов: [3, 4, 5; 6]; предъявляемых к современным пожарным^ автомобилям является их соответствие установленным нормам выбросов вредных веществ с ОГ ДВС.
Работа личного состава пожарных частейшри выполнении боевой задачи: осуществляется* в і экстремальных условиях, связанных с постоянной* угрозой^ жизни» ш здоровья. В- соответствии к с действующей классификацией условий труда деятельность пожарных относится к категории опасных.
Наряду с большими физическими и нервно-эмоциональными нагрузками серьезную опасность. для t здоровья: и* жизни личного состава» боевых: расчетов г пожарных частей,, в силу специфических условий оперативной: эксплуатации пожарной* техники, оказывают вредные вещества, выделяемые с отработавшими газами (OF) двигателей пожарных автомобилей. Так, по данным: исследований национального института здравоохранения США [9] о воздействии OF на* различные: профессиональные группы людей; на: первом месте по признаку токсического воздействия: на; организм: человека = оказались личный состав пожарных команд и: работники! локомотивных депо. Подтверждением этому являются результаты: дисперсного анализа данных о
заболеваемости пожарных, проведенного ВНИИПО МЧС России [57], которые выявили у оперативных работников пожарной охраны такие производственные заболевания как болезнь органов дыхания, кровообращения; нервно-психические и др. В то же время, количественное содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны во время * оперативной деятельности личного состава-подразделений ПЧ оценено недостаточно.
Решение данной проблемы возможно [10,11,12 и др.] при:
создании и использовании новых экологически чистых двигателей;
воздействии на рабочий процесс двигателя с целью изменения физических параметров топливовоздушной смеси, определяющих образование вредных веществ;
обезвреживании OF после их выпуска из цилиндров.
Полное решение проблемы уменьшения загрязнения г атмосферы рабочей зоны водители пожарных автоцистерн зависит, в первую очередь, от технических мероприятий,, касающихся повышения экологичности каждого пожарного автомобиля и уменьшения токсичности автомобильных выбросов. Зтаї долгосрочная программа, требующая больших материальных затрат и времени; Однако экономическое положение нашей страны не позволяет на данном этапе радикально изменить существующее положение дел в области снижения і негативного воздействия OF наг здоровье водителей ПА. В то же время современное развитие вычислительной техники позволяет математическими методами? моделировать, процессы распространения OF от двигателя при работе ПА на разных режимах при тушения пожаров. При этом возможна разработка конструктивных и организационных мероприятий с целью уменьшения загазованности рабочей зоны водителя на пожаре.
В настоящее время выполнение норм по содержанию токсичных компонентов в OF новых и эксплуатируемых автомобильных двигателей без; средств- дополнительной обработки; отработавших газов еще ни одним изготовителем не достигнуто.
Учитывая ограниченные возможности воздействия на рабочий процесс двигателя пожарного- автомобиля, находящегося в^ эксплуатации, одним* из наиболее перспективных направлений развития систем обезвреживания ОГ является внедрение устройств, использующих метод каталитической нейтрализации.
Опыт использования КН с двигателями; с искровым зажиганием и с дизелями показал их высокую эффективность: в отношении продуктов неполного сгорания: GO, CnHm, альдегидов и сажи [10, 13, 14,15 и др.]
В то же; время? из-за недостаточной эффективности КН на режимах неполной нагрузки и холостого хода работы двигателей,, сдерживается их широкое применение; Это особенно касается ПА и их основного типа АЦ; при эксплуатации которых преобладают именно, эти режимы работы двигателей; (ежедневные проверки насосов на герметичность, выезд и следование на пожар с непрогретым двигателем, работа двигателя в качестве привода насосной установки при подаче воды). Устранение этого недостатка возможно при: внедрении систем принудительного подогрева ОГ. Разработка и доводка таких систем в настоящее время осуществляется, в основном, эмпирическим путем и требует значительных затрат. Рационализация этого процесса возможна при; использовании инженерных методик расчета, разработанных на основе изучения тепловых процессов, протекающих в КН; и позволяющих с достаточной степенью точности определять требуемые характеристики.
Для ПА наиболее целесообразно совместить функции глушителя и нейтрализатора в одном устройстве — глушителе-нейтрализаторе каталитическом (ГНК). В связи с этим, возникает необходимость оценки его газодинамических характеристик.
Таким образом, в качестве объекта исследования приняты технические условия и факторы эксплуатации ПА, приводящие к сверхнормативному негативному действию OF двигателей ПА на личный состав ПЧ и окружающую среду.
Предметом исследования являлись теплофизические, токсические, газодинамические и акустические характеристики систем КН ДВС ПА.
Автор выносит на защиту следующие научные результаты:: Г. Методика расчета мощности дополнительного принудительного подогрева OF дизеля в каналах БРКК, необходимой для его вывода на эффективный режим работы.
Рекомендации на разработку блочных разогреваемых каталитических конверторов;
Новые бортовые и стационарные системы очистки отработавших газов двигателей внутреннего сгорания пожарных автомобилей.
А!. Количественно-оценочные показатели снижения выбросов СО, СН и дымности ОГ ДВС ПА, газодинамических; и акустических свойств БРКК с учетом режимов пуска, прогрева и холостого хода работы двигателя.
Практическая ценность. Теоретически и экспериментально обоснована возможность улучшения экологических показателей КН двигателей ПА, работающих на режимах неполной нагрузки и холостого хода, путем подогрева: OF в каналах БРКК при пропускании- тока малого; напряжения через его металлическую матрицу. Разработанная конструкция глушителя-нейтрализатора FHK-43101 для пожарного автомобиля АЦ-5-40(43101) со встроенным? БРКК, соответствующая: по своим габаритным и присоединительным размерам серийному глушителю, обладает допустимым: газодинамическим сопротивлением и позволяет значительно снизить содержание GO, CnHm и дымности в: ОГ. Стационарная установка каталитической очистки ОГ обеспечивает содержание вредных веществ: в воздухе рабочей зоны в помещениях пожарных депо и в местах технического обслуживания ПА в пределах допустимых норм.
Апробация работы. Основные положения проведенного исследования докладывались на постоянно действующем научно-практическом семинаре стран СНГ "Улучшение эксплуатационных показателей двигателей, тракторов
и автомобилей" в Санкт-Петербургском государственном аграрном университете в период с 1998 по 2002 год, на международной научно-практической конференции "Проблемы обеспечения пожарной безопасности Северо-Западного региона" в Санкт-Петербургском университете МВД России в 2000 году. По результатам выполненной диссертации опубликовано 8 печатных работ. На конструкцию глушителя-нейтрализатора каталитического FHK-43101 со встроенным БРКК для пожарного автомобиля АЦ-5-40(43101) оформлена заявка на получение свидетельства РФ на полезную модель.
Работа выполнялась на кафедре пожарной техники Санкт-Петербургского института ГПС МЧС России и является развитием приоритетных научных исследований кафедры, направленных на повышение эффективности конструкций КН и расширения области их применения в пожарной технике.
Этим исследованиям посвящены научные труды д.т.н., профессора Ложкина В.Н;, K.T.H. Преснова А.И., к.т.н. Саватеева А.И.
Экспериментальные исследования по определению эффективности снижения глушителем-нейтрализатором ГНК-7403; 10 содержания СО, CnHm и дымности в ОГ дизельного двигателя КамАЗ-7403 проводились в департаменте развития и внедрения новых разработок ОАО "КамАЗ".
Результаты работы внедрены в подразделениях У ГПС Санкт-Петербурга , ОАО "Сталепрокатный завод" при разработке бортовых и стационарных систем каталитической нейтрализации* ОГ дизелей. Инженерная методика расчета мощности дополнительного принудительного подогрева ОГ в каналах блочного разогреваемого каталитического конвертора внедрена в учебном процессе СПб института ГПС МЧС России и Автомобильно-дорожного института СПб ГАСУ.
Конструктивные особенности пожарных автомобилей
Основным видом пожарных автомобилей являются пожарные автоцистерны (АЦ). Сегодня их количество составляет 73% от общей; численности всех ПА [18]. В работе [38] приведены средние значения времени, характеризующие режимы использования пожарной автоцистерны при тушении одного пожара (рис. 1.1).
Однако следует подробнее рассмотреть особенности работы двигателей ПА на режимах частичных нагрузок.
При выезде и следовании АЦ на пожар движение автомобиля начинается, как правило, с непрогретым двигателем (уже через 50-60 секунд после запуска и работы двигателя в режиме холостого хода). В городском режиме движения со средней скоростью около 40 км/час, средняя дальность поездки не превышает 7 км [16]. При этом температура двигателя достигает не более 50 -60 % от оптимальной [68].
Использование непрогретого двигателя в режиме холостого хода характеризуется несовершенством процесса сгорания, и максимальными значениями содержания і СО и CnHm в OF. В то же время, в связи с небольшой температурой цикла, выбросы окислов азота (NOx) незначительны.
Так, выбросы вредных веществ при работе карбюраторного двигателя Зил-130 (наиболее распространенный силовой агрегат пожарных АЦ в-настоящее время) в режиме холостого хода составляют по GO - до 2%, CnHm — 0,3%, a NOx - практически отсутствуют [17].
Из рисунка 1.1 видно, что наиболее длительный режим использования пожарной автоцистерны — это работа с насосной установкой при тушении пожара:
В этом режиме двигатель используется вначале для заполнения пожарного насоса водой, с использованием встроенного в систему выпуска OF устройства всасывающего газоструйного (УВГ). Эксплуатация двигателя в этом режиме осуществляется с повышенным противодавлением в газовыпускном тракте и характеризуется ухудшением процессов газообмена и увеличением доли остаточных газов в цилиндрах, что приводит к росту концентраций СО,
После забора воды из водоисточника, двигатель автомобиля, приводя во вращение; рабочее колесо центробежного насоса, работает на частичных нагрузочных режимах в зависимости от потребляемой мощности насоса. Для пожарных АЦ потребляемая мощность наиболее характерного насоса ПН-40УВ не превышает 62,2 кВт при работе в номинальном режиме.
Кроме того, при работе АЦ в стационарном режиме возможно повышенное тепловое состояние двигателя, вследствие отсутствия встречного потока воздуха.
При незначительных нагрузках ухудшение процессов газообмена, увеличение доли остаточных газов и снижение температуры цикла приводит к повышенным выбросам с ОГ СО, CnHm и практически отсутствию в составе ОГ NOx.
По мере роста нагрузки на двигатель, при работе пожарного насоса, близкой к номинальному режиму, происходит более эффективное сгорание топлива, увеличивается максимальная температура рабочего цикла, что приводит к образованию окислов азота и снижению содержания продуктов неполного сгорания топлива.
Эксплуатация ПА включает также комплекс мероприятий, направленных на поддержание их в постоянной боевой готовности. С этой целью проводится контроль за работой узлов и агрегатов ПА во время технических обслуживании (ТО). Так, при ежедневном ТО осуществляется проверка пожарных насосов на герметичность при работающем двигателе автомобиля, при проведении ТО-2 осуществляется диагностика двигателя. При этом, как правило, ТО проводятся внутри помещений - либо на постах ТО, либо непосредственно в гараже пожарного депо. Здесь надо отметить, что подавляющее большинство из них не. имеет принудительной вентиляции для отвода ОГ. В таких условиях на личный состав ПЧ оказывается значительное негативное воздействие. В то же время, количественное содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны в местах характерного использования ПА оценено недостаточно и требует дополнительных исследований.
Конструкция системы выпуска ОГ ДВС пожарных АЦ (рис. 1.3) отличается от аналогичных систем серийных базовых шасси наличием встроенного ГВА, расположенного непосредственно перед глушителем, и, иногда, возможностью отбора OF на обогрев цистерны с водой в зимний период.
ГВА состоит из; распределительной камеры с управляемой заслонкой и газового эжектора, соединенного всасывающей полостью с пожарным насосом. При заборе воды из открытого водоисточника, заслонка УВГ поворачивается и закрывает выход ОГ к глушителю, одновременно открывая проход ОГ к газовому эжектору. При этом должна обеспечиваться максимальная скорость движения ОГ, обеспечивающая номинальные характеристики УВГ. В связи с этим становится невозможной установка дополнительных элементов, повышающих газодинамическое сопротивление участка системы выпуска ОГ от двигателя до УВГ.
Таким образом, анализ характерных режимов эксплуатации пожарной автоцистерны и требований, предъявляемых к ПА [3, 4, 5, 6, 18], позволяет сделать следующие выводы: эксплуатация двигателя ПА на режимах холостого хода и неполной нагрузки составляет значительную часть общего цикла работы при тушении пожара; среди вредных веществ ОГ ПА наиболее вероятны окись углерода СО и суммарные углеводороды CnHm, а для дизельных двигателей и сажа; количественное содержание вредных веществ в воздухе рабочей зоны s, в местах характерного использования пожарных автомобилей и его соответствие ПДК требуют дополнительной оценки; при разработке систем понижающих содержание вредных составляющих ОГ невозможно внесение конструктивных изменений в системы выпуска ОГ и проведение каких-либо мероприятий снижающих полезную мощность двигателя и динамические свойства ПА.
Разработка инженерной методики расчета мощности дополнительного принудительного подогрева ОЕ в каналах БРКК
Для обеспечения наибольшей эффективности каталитического реактора должен поддерживаться оптимальный баланс подводимого и отводимого количества тепла в его рабочей зоне, обеспечивающий быстрый прогрев катализатора- и поддержание необходимой рабочей температуры, с одной стороны, и ограничение ее максимального предела, с другой.
Поэтому, основным расчетным уравнением должно являться уравнение теплового баланса, выражающее закон сохранения энергии: Аишт = AQw ± AQor - AQ0KP + AQHArp (2.10) где AUKAT, - требуемое изменение внутренней энергии каталитического конвертора; соответствующее режиму максимальной эффективности; AQKAT - количество теплоты, выделяемое в реакторе в результате экзотермической реакции окислительного катализа; Шог - количество теплоты, привносимое (или уносимое) с отработавшими газами; AQOKP- количество теплоты, выделяемое в окружающую среду; AQmrp- количество теплоты, отдаваемое дополнительным нагревателем отработавшим газам. Бортовой каталитический нейтрализатор можно рассматривать как гомогенную проточную термодинамическую систему, рабочим телом которой являются отработавшие газы двигателя, протекающие по каналам каталитических блоков, а контрольной поверхностью — корпус глушителя.
Для такой системы уравнение изменения внутренней энергии AUKAT согласно первого закона термодинамики имеет вид [106, 112]: Af r = = & -0 + 4 (2.11) где д=— - количество теплоты, передаваемое единицей массы ОГ, G Дж/кг, и равное отношению количества подведенной теплоты к ОГ за единицу времени - QT =—, Вт, к расходу ОГ через КН - G = —, кг/с; dx dx il2 = ср -ТХ1 - энтальпия ОГ, кДж/кг; ср- теплоемкость ОГ при постоянном давлении, кДж/(кг-К); Т1 2 — температура потока ОГ, К; WJI2 - скорость потока ОГ, м/с; индексом "/"обозначены параметры газа на входе в БКК, а индексом "2 " — на выходе из БКК. При неизменной площади сечения канала u 2= wj. Тогда АС/,ит= G(i2-h) (2.12)
Количество тепла, привносимого с отработавшими газами AQor, зависит от типа рабочего процесса двигателя, его конструкции и технического состояния, применяемого сорта топлива, режима работы двигателя, которые определяют количество отработавших газов, их состав и температуру.
При составлении внешнего теплового баланса двигателя внутреннего сгорания, для оценки количества теплоты уносимой с отработавшими газами, используется следующее выражение [105]: Qor=(GT+GB)cp{tr0) (2.13) где GT И GB - часовой расход топлива и воздуха, кг; trHt0- температура отработавших газов и наружного воздуха.
Количество теплоты поступающее в КН с ОГ AQor будет отличаться от Qor на величину потерь в подводящих газопроводах от двигателя до КН, которая, в свою очередь, зависит от особенностей системы газовыпуска транспортного средства (расстояние от двигателя до КН, наличие тепловой изоляции на газопроводах и т.п.).
Для практических расчетов AQor можно использовать формулу (2.13) заменив (GT+ GB) на расход ОГ через БКК Gory а в качестве trntQ использовать соответственно температуру ОГ на входе в КН (Г/) и температуру самого КН (Ткн). Тогда: AQor = Gor-Cp-CT! - Ткн) (2.14)
Количество тепла, выделяемое КН в окружающую среду AQOKP зависит от его конструктивных особенностей и от характера его взаимодействия с окружающей средой, теплофизические параметры которой меняются в зависимости от условий эксплуатации пожарного автомобиля.
Устанавливаемые предельно допустимые нормы выбросов СО, СН и NOx относятся к температуре наружного воздуха 20 С. При; более низких, температурах окружающей среды выбросы существенно возрастают.
Потери тепла из катализатора в окружающую среду ведут к образованию температурных профилей над поперечным сечением катализатора, которые вызывают в окраинной области значительные градации. Для предотвращения подобного явления необходимо применять конструкции снижающие потери в окружающую среду ( например, "труба в трубе" и т.п.).
Количество тепла, выделяемого при экзотермической реакции окисления горючих веществ отработавших газов в каталитическом реакторе AQKAT, зависит от типа КН от площади его активной поверхности; от состава отработавших газов, от скорости диффузионного подвода окислителя, от скорости адсорбции и десорбции на каталитах и собственной скорости реакции. В практических расчетах оценку теплового эффекта от сгорания на катализаторе окиси углерода qCo суммы углеводородов qCH и сажистых частиц qc можно осуществить по выражениям: 4co={Gco-Ое)-НсоЛ0-г\кДж/ч\ (2.15) Чей =( -GncTe)-HCH.,Ю-3", кДж/% (2.16) qc=(G? -СпГе) НсЛ0-\кДж/ч, (2.17) где Gf, G"00"" - массовые расходы соответствующего вещества до и после КН, г/ч; . НІ — низшая теплотворная способность окисления вещества, кДж/кг.
Методика экспериментального исследования массовых концентраций і вредных веществ в воздухе рабочей зоны при эксплуатации пожарных автомобилей
Исследование выполнялись с целью определения массовых концентраций вредных веществ в воздухе рабочей зоны в местах характерной эксплуатации пожарных автомобилей и сопоставления их с ПДК, а также обоснования на основе этих данных выбранного способа очистки ОГ ПА путем нейтрализации окиси углерода и углеводородов в окислительном катализаторе.
Исследования проводились ускоренным методом измерения массовых концентраций оксида углерода (СО), углеводородов (по гексану СбНі4) и двуокиси азота (NO2) в воздухе рабочей зоны измерения концентраций вредных веществ индикаторными трубками.
Сущность метода заключается в изменении окраски индикаторного порошка в результате реакции с вредным веществом в анализируемом воздухе. Измерение концентрации вредного вещества производится по длине изменившего первоначальную окраску слоя индикаторного порошка в линейно-колористической индикаторной трубке. Длина прореагировавшего (изменившего первоначальную окраску) слоя является функцией и мерой массовой концентрации определяемого газа в объеме отобранной пробы.
Измерения проводились в соответствии с требованиями НПБ 163-97, ГОСТ 12.1.005-88, ГОСТ 12.1.014-84 и нормативно-технической документацией на индикаторные трубки, 26 апреля 2000 года, в два этапа.
На первом этапе исследовался воздух рабочей зоны при выезде и въезде пожарных автомобилей из помещения гаража 1-й пожарной части 5-го отряда пожарной охраны УГПС Санкт-Петербурга (Санкт-Петербург, ул.Мичуринская, Д.5). Помещение гаража (рис.3.4) расположено на 1-м этаже 3-х-этажного здания пожарного депо. Объем гаража составляет 608 м . Для выезда пожарных Рис.3.4. Схема помещения гаража пожарного депо 1ПЧ 50ПО автомобилей из гаража предусмотрены трое ворот, размерами 3,6x2,8 м. Вход личного состава в гараж осуществляется через дверной проем размерами 2,4x1,4 м. Приточно-вытяжная вентиляция в гараже отсутствует. В гараже размещаются три пожарных автомобиля, технические данные которых представлены в табл.3; 1.
Измерение массовых концентраций GO, СбНі4 и N02 в помещении гаража проводились с 10.00; до 11.00 часов, путем трех последовательных замеров каждого компонента через равные промежутки времени (2 мин), с момента запуска автомобильных двигателей; при одновременном выезде (по тревоге) из помещения гаража трех пожарных автомобилей, и с момента одновременного въезда в помещение гаража трех пожарных автомобилей. Для чего использовались индикаторные трубки измерения массовых концентраций оксида углерода (ТИ-СО-1,0) - 6 шт., гексана (ТИ-С6Ні4-2,0) - 6 шт., диоксида азота (ТИ-МО2-0,2) - 6 шт. и три аспиратора сильфонных АМ-5 для прокачивания исследуемой газовой смеси через трубки индикаторные.
Участок измерения (место отбора проб воздуха) выбран в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.005-88 и показан на схеме помещения гаража (см. рис.3.4).
Отбор проб воздуха в индикаторные трубки осуществлялся при следующих показателях микроклимата: барометрическое давление — 758 мм.рт.ст. (101 кПа), относительная влажность — 68 %, температура — 15,6 С0. Подготовка к выполнению измерений включала: выбор места отбора проб воздуха; подбор и установку (в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.005-88) в месте отбора проб воздуха приборов измерения и контроля показателей микроклимата: термометр лабораторный, психрометр аспирационный MB-4М, барометр БАММ-1; подбор сильфонных аспираторов АМ-5 и 18-ти трубок индикаторных (по 6 для измерения каждого исследуемого компонента), проверка их срока годности; проверку на герметичность аспираторов сильфонных АМ-5.
Выполнение измерений проводилось в следующем порядке. По сигналу "Тревога" осуществлялся сбор в гараже боевых расчетов, запуск двигателей пожарных автомобилей, их прогрев на повышенных оборотах холостого хода в течение минуты и выезд трех пожарных автомобилей из помещения гаража. Одновременно (на первой минуте) тремя операторами обламывались запаянные концы трех индикаторных трубок для измерения СО, СбНн, NO2 (каждый оператор измерял один компонент) и вставлялись в гнезда аспираторов. После чего в месте отбора пробы на уровне зоны дыхания осуществлялось прокачивание исследуемого воздуха аспиратором через соответствующие индикаторные трубки, в количестве указанном на ее шкале.
Результаты стендовых испытаний глушителя-нейтрализатора
Результаты испытаний, проведенных по методике 13-ти ступенчатого испытательного цикла Правил №49 ЕЭК ООН представлены в графической форме в виде внешней скоростной характеристики (рис. 4.1) и нагрузочных характеристик двигателя КАМАЗ-7403 на номинальной частоте вращения коленчатого вала (рис.4.2) и на частоте вращения, соответствующей максимальному крутящему моменту (рис.4.3.). На графиках приведены зависимости содержания окиси углерода (СО), углеводородов (СН), дымности . (Кх), температуры OF (Tt), расхода воздуха (GB) И коэффициента избытка воздуха (ALFA) от эффективного давления (Ре) в цилиндрах двигателя при комплектации системы выпуска ОГ серийным глушителем (глушитель 4925.1201010) и "ГНК КАМАЗ 250".
Внешняя скоростная характеристика двигателя модели КАМАЗ-7403 с глушителем шума выпуска, представленная І на рис. 4Л, свидетельствует о том, что? двигатель по мощностным; и; экономическим, параметрам? соответствует требованиям ТУ 37.001.1114 - 83.
Анализ І результатов испытаний? показал? высокую эффективность "FHK, КАМАЗ 250" (до 85% - 90% по СО, и до 67% по СН) при максимальной частоте вращениям коленчатого; вала двигателям (n = 2600 об/мин)? и прш частоте, соответствующей; режиму максимального; крутящего момента двигателя; (n = 1700} об/мин). В» то же время, на І режимах холостого хода с: минимальной; устойчивой; частотой вращения з коленчатого вала: двигателя равной 600 мин" (режимы;№№ 1, 7 и 13)»содержание в-ОГ дошшосле КН соответственно в среднем составило:; по» GO - 615 млн"1 и 575 млн"1, по GH - 345 млн"1 ш 325 млт1.. Дымность OF оставалась в; пределах 1= %. Таким образом; эффективность "ГНК КАМАЗ 250" по снижению содержания в OF GO и СН на режиме холостого хода составила не более 6%.
Объясняется это;тем, что при значениях Р менее 5 кг/см, для п=1700; об/мин, и;менее 4 кг/см для п=2600 об/мин температура OF не превышает 300 — 350 С, что недостаточно для начала реакции нейтрализации.
В- результате, удельные показатели? эффективности, определенные: по (411); оказались ниже и составили по СО - 62,9%,,по СН - 45,6%. Абсолютные; средние показатели; содержания; СО и СН? в OF двигателя ш их сравнение с предельно допустимыми нормами Евро-2 и Евро-3 приведены в табл.4. В результате проведенных исследований можно сделать вывод о необходимости принудительного нагрева ОГ в каналах БРКК для повышения его эффективности на режимах холостого хода и частичных нагрузках работы двигателя.
Полученные данные о количественном содержании вредных веществ в ОГ дизельного двигателя и эффективности систем каталитической нейтрализации позволяют провести расчет необходимой мощности принудительного прогрева БРКК.
Концентрации содержания в ОГ двигателей СО и CnHm, а также текущие значения дымности при запуске дизельного двигателя КамАЗ-740 автомобиля АЦ-5-40(43101)ПМ-524 представлены как среднеарифметические значения из 5 последовательных замеров. Значения дымности в режиме свободного ускорения - как среднеарифметические из четырех последних замеров (всего восемь).
Эффективность очистки ОГ ГНК-43101 определялась по формуле: с, где, С] - среднеарифметическое значение измеряемого параметра на выходе из системы выпуска ОГ с серийным глушителем автомобиля; Сг - среднеарифметическое значение измеряемого параметра на выходе из ГНК-43101.
При электрическом разогреве БРКК ГНК-43101 сила тока в цепи равнялась 410 А, при падении напряжения на клеммах БРКК 19 В. Таким образом мощность нагрева составила примерно 7,8 кВт.
Время нагрева БРКК от 20 С до 200 С составило 9 с, до 650 С - 32 с. Результаты исследования показывают, что предварительный прогрев БРКК до 200 С на бензиновом двигателе и до 650 С на дизельном двигателе позволяет довести эффективность снижения содержания в ОГ СО до 75-77 %, СН - до 43-47 % и дымности (для дизельного двигателя) - до 75% в момент холодного запуска двигателей и при их работе в режиме холостого хода.
Таким образом, экспериментально подтверждена методика расчета мощности дополнительного нагрева БРКК до температуры, необходимой для начала реакции нейтрализации при пуске и работе двигателя в режиме холостого хода. Результаты испытаний представлены в табл.4.7 и 4.8. Концентрации GO и CnHm, а также значения дымности представлены как среднеарифметические значения из 5 проведенных замеров. Эффективность очистки ОГ установкой определялась по формуле (4.1).
Выбросы вредных веществ с ОГ автомобилей АЦ-40(130)63Б с бензиновым двигателем и АЦ-5-40(43101)ПМ-524 с дизельным двигателем при использовании стационарной установки каталитической очистки ОГ удовлетворяют требованиям ГОСТ 17.2.2.03-87, ГОСТ 12.1.005-88 и ГОСТ 21393-75 по содержанию в ОГ оксида углерода, углеводородов и дымности;
Похожие диссертации на Обеспечение безопасных условий труда водителей пожарных автомобилей при работе на пожарах
