Введение к работе
Актуальность темы. Масштабная децентрализация систем отопления в ЖКХ связана с увеличением числа единиц оборудования, работающих на газе, что неизбежно приводит к увеличению рисков и усугублению проблемы обеспечения пожаро- и взрывобезопасности в городском хозяйстве. Известно, что часть отопительного оборудования составляют котлы, снабженные многоходовыми топками. Такие топки обладают значительной площадью теплопередающих элементов за счет увеличения числа ходов, что, с одной стороны, повышает их КПД, но, с другой стороны, как показали исследования, служит фактором, повышающим опасность их эксплуатации за счет более высокого, чем в одноходовых давления взрыва газа внутри них.
Перед заводами изготовителями таких котлов есть два взаимодополняющих варианта обеспечения их безопасности. Первый из них -традиционный, устройство взрывных клапанов многоразового действия согласно известным рекомендациям, которые при своем срабатывании сообщают объем топки с объемом помещения. Но такие клапаны, во-первых, громоздки, а, во-вторых, обеспечение их герметичного прилегания к месту посадки, как правило, конструктивно трудно решаемая задача. В силу того, что имеющиеся в распоряжении разработчиков рекомендации по устройству взрывных клапанов для газовых топок, к сожалению, явно устарели, то в последние годы разработчики все чаще используют другой путь - установку автоматических систем, предназначенных для исключения образования опасных накоплений газа внутри оборудования.
Понятно, что существенному снижению риска могло бы способствовать совместное использование автоматических средств обеспечения безопасности и традиционных, но лишенных перечисленных недостатков.
Естественно, что предложения по изменению конструкции должны быть результатом как теоретических, так и экспериментальных исследований. Наиболее достоверными и убедительными являются экспериментальные результаты, полученные на натурных объектах или на моделях, близких к ним по своим характеристикам. Конечно, осуществление части таких экспериментов связано с риском для персонала, однако в современной России технология их проведения отработана. Наличествует и соответствующие экспериментам измерительные системы.
Что касается теоретических исследований, то ставшие в последнее время очень эффективными численные методы позволяют моделировать процессы с высокой степенью адекватности при минимальных упрощениях. При этом отечественные методы численного моделирования, одним из которых является метод крупных частиц, выходят на первый план. Конечно, проведение численного моделирования требует значительные вычислительные ресурсы, но это требование с каждым годом все полнее удовлетворяется благодаря стремительным темпам развития компьютерной техники.
Вопросы о необходимости совершенствования варианта обеспечения взрывобезопасности газовых многоходовых топок и разработки конкретной конструкции взрывного клапана были подняты и реализованы в ходе исследования газовых взрывов на натурном котле.
Работа проведена в рамках выполнения НИР согласно гранту РФФИ №09-08-99019-р_офи по теме «Исследование механизма развития взрыва газовоздушной смеси в незамкнутом объеме произвольной формы и разработка его компьютерной модели на основе численных методов», выполненную в период 2009-2011 гг.
Цель исследования - разработка мер по обеспечению взрыво- и пожаробезопасности многоходовых газовых топок путем применения перепускного взрывного клапана.
Для достижения поставленной цели были определены и решены следующие задачи.
разработка способа и устройства обеспечения пожаро- и взрывобезопасности многоходовых газовых топок, основанного на снижении гидросопротивления при движении продуктов сгорания в момент взрыва;
подготовка объекта испытаний к проведению опытов, в том числе: доработка конструкции натурного котла KQ-0,12 для проведения взрывов газа в топке, разработка системы дистанционного управления экспериментом; разработка системы измерения параметров процесса; разработка программы и методики проведения эксперимента;
проведение физического эксперимента по исследованию эффективности разработанного перепускного взрывного клапана;
модернизация компьютерной программы «Вулкан-М», проведение вычислительного эксперимента;
анализ результатов физического эксперимента и компьютерного моделирования и обоснование рекомендаций по обеспечению пожаро- и взрывобезопасности многоходовых газовых топок.
Объектом исследования в диссертационной работе являются газовые многоходовые топки теплотехнического оборудования.
Предметом исследования являются процессы дефлаграционного взрыва газо-воздушных смесей в топках теплотехнического оборудования.
Методы исследования. В ходе диссертационного исследования использовались следующие методы:
метод намеренного перевода в опасное состояние теплотехнического оборудования при проведении физических экспериментов;
метод крупных частиц для задач газовой динамики с введением горения при проведении численных экспериментов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
1) разработана математическая и компьютерные модели, обеспечивающие проведение численного эксперимента по «продувкам» многоходовых газовых топок;
-
уточнена известная математическая и компьютерная модель распространения пламени путем введения непрерывного лагранжевого маркера для определения массовой доли сгоревшей исходной смеси;
-
получены результаты численного моделирования процесса развития взрыва газа в многоходовых топках и зависимость давления взрыва от времени натекания газа в топке;
-
получены результаты физического эксперимента по исследованию дефлаграционного взрыва;
-
проведена оценка влияния гидросопротивления тракта многоходовой топки на давление взрыва;
-
произведена оценка эффективности перепускного взрывного клапана в многоходовых топках.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность экспериментальных данных обеспечена методом и методикой проведения опытов, качеством системы измерения и обработки данных, а также объемом испытаний.
Адекватность математической модели обеспечивается применением
известных численных методов и подтверждается качественным и
количественным согласованием полученных результатов с
экспериментальными данными.
Основные положения диссертации базируются на использовании общепринятых гипотез и допущений динамики сплошных сред, физики горения и теории численных методов.
Положения, выносимые на защиту:
-
способ и устройство обеспечения взрывобезопасности многоходовых топок в виде перепускного взрывного клапана;
-
результаты натурных испытаний парового котла КП-0,12 с многоходовой газовой топкой при установленном перепускном взрывном клапане;
-
результаты вычислительного эксперимента по оценке эффективности применения перепускных взрывных клапанов в многоходовых газовых топках и по определению границ этой эффективности;
-
результаты оценки влияния гидросопротивления многоходовой топки на давление взрыва внутри нее.
Практическую ценность имеют:
-
экспериментальная установка, метод и методика проведения экспериментов в многоходовых газовых топках, программное обеспечение для автоматического управления взрывом, регистрации и предварительной обработки параметров процесса;
-
результаты экспериментальных исследований по взрывам газа в многоходовой газовой топке КП-0,12;
-
результаты вычислительного эксперимента по оценке эффективности перепускного клапана;
4) конструкция газовой многоходовой топки, снабженной перепускным взрывным клапаном и рекомендации по выбору конструктивных параметров клапана.
Реализация результатов исследования. По результатам исследований разработана и внедрена на заводе ОАО «Возовсельмаш» (п. Возы, Курской области) конструкция топки парового котла КП-0,12.
По результатам исследований получен патент «Многоходовая топка теплотехнического устройства» №2460940 от 10.09.2012 г.
Получены свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ:
«Автоматический переключатель-таймер силовых устройств с управлением от USB «PCTimer» №2012661416 от 14.12.2012 г.
«Измерение и обработка угловых и линейных перемещений с управлением через USB «DataStream» №2012661418 от 14.12.2012 г.
Основные результаты работы доложены на: Международном конгрессе «Актуальные проблемы прикладных наук» (г. Москва, Национальная Академия прикладных наук Российской Федерации, 2010 г.); Семинаре «Моделирование взрывных клапанов перепускного типа» (г. Орел, Орловский государственный технический университет, 2011 г.); 7th GRACM International Congress on Computational Mechanics (Athens, Greece, 2011 г.); Семинаре «Влияние перегородок и формы границ замкнутого объема на развитие взрыва» (г. Орел, Государственный университет - УНПК, 2012 г.); Международной конференции ECCOMAS (Vienna, Austria, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и четырех приложений. Содержание работы изложено на 111 страницах текста, включает в себя 4 таблицы, 30 рисунков, список литературы из 148 наименований.
