Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ состояния вопроса, обоснование, цели и задач исследования 11
1.1 Анализ тушения пожаров на объектах энергетики 11
1.2 Критерий определения достаточной и недостаточной видимости на месте пожара 20
1.3 Дымоудаление при пожаре на объектах энергетики 23
1.4 Проблематика осаждения дыма в процессе тушения пожара 30
Выводы по первой главе 33
ГЛАВА 2 Выбор метода и разработка способа осаждения дыма при создании водного аэрозоля 35
2.1 Методы осаждения аэрозолей и механизмы, влияющие на скорость
их осаждения 35
2.1.1 Свойства аэрозолей 35
2.1.2 Методы отчистки газовой среды от аэрозолей 37
2.1.3 Механизмы осаждения аэрозолей 44
2.2 Подбор способа создания водного аэрозоля и привода устройства 53
2.2.1 Гидравлическое распыление 53
2.2.2 Механическое распыление 54
2.2.3 Пневматическое распыление 55
2.2.4 Электростатическое распыление 56
2.2.5 Акустическое распыление 57
2.2.6 Распыление горячей воды 59
2.3 Принципиальная схема работы устройства осаждения дыма 63
Выводы по второй главе 66
ГЛАВА 3 Подбор и расчет характеристик устройства осаждения дыма 67
3.1 Обоснование типа и конструкции сопла 67
3.2 Привод устройства осаждения дыма 70
3.3 Математическое моделирование истечения воды через сопло Лаваля 74
3.4 Расчетное ожидание производительности устройства осаждения дыма 80
Выводы по третьей главе 83
ГЛАВА 4 Экспериментальное исследование способа осаждения дыма температурно-активированной водой 85
4.1 Оборудование для проведения экспериментов 85
4.2 Определение производительности экспериментального устройства осаждения дыма 90
4.3 Экспериментальное исследование изменения оптической плотности среды при работе устройства осаждения дыма 93
4.4 Применение устройства осаждения дыма при тушении пожара в помещениях 102
Выводы по четвертой главе 105
Заключение 107
Список литературы 108
- Критерий определения достаточной и недостаточной видимости на месте пожара
- Гидравлическое распыление
- Привод устройства осаждения дыма
- Экспериментальное исследование изменения оптической плотности среды при работе устройства осаждения дыма
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Анализ современных пожаров на объектах энергетики показал, что опасные факторы пожара (ОФП) достигают предельных значений в первые минуты с момента его возникновения. Было установлено, что пожар на объектах энергетики характеризуется интенсивным образованием дыма черного цвета, так как большая часть пожаров (более 50 %) сопровождается горением материалов, производных от нефти (изоляция токо-ведущих частей, горючие жидкости), что приводит к быстрому снижению видимости. Учитывая сопутствующие проявления ОФП на объектах энергетики (высокое напряжение), в условиях плотного задымления существует высокая вероятность получения травм и гибели пожарных в процессе тушения пожара, также в условиях ограниченной видимости осложнено продвижение и ориентирование звеньев газодымозащитной службы (ГДЗС)
Таким образом, актуальными являются исследования, направленные на разработку технических средств, повышающих защиту пожарных в процессе тушения пожара на объектах энергетики, позволяющих повысить оптическую проницаемость дыма за счет его удаления или осаждения.
Степень разработанности темы исследования. В реализации коллективной защиты пожарных от продуктов горения можно выделить два принципиально разных подхода: дымоудаление и дымоосаждение.
В настоящее время проблема видимости в дыму решается подразделениями пожарной охраны с помощью организации дымоудаления: естественной вентиляцией, противодымной вентиляцией, тактическим вентилированием.
Большой вклад в развитие устройств противодымной защиты зданий и сооружений и отдельных ее элементов, реализующих дымоудаление, внесли ученые В. М. Есин, С. В. Пузач, С. П. Калмыков и другие. Но реализация ды-моудаления в процессе тушения пожара обладает существенным общим недостатком – это увеличение интенсивности газообмена во время пожара с окружающей средой, что приводит к быстрому развитию пожара, поэтому не всегда полученный эффект от «проветривания» приводит к положительному результату. Также следует учесть важную особенность объектов энергетики: ограждающие конструкции помещений не всегда граничат с окружающей средой, следовательно, не представляется возможным удалять продукты горения непосредственно в окружающую среду. Именно потому необходимо уделять внимание способам защиты пожарных от продуктов горения, которые основаны на принципе дымоосаждения.
Рядом ученых (С. В. Остах, И. К. Мыльников, В. П. Степанов) проводились исследования в области дымоосаждения, в которых предлагались технические средства, способные снижать уровень задымления посредством выведения из взвешенного состояния частиц дыма. Несмотря на достигнутые результаты в исследованиях, посвященных разработкам технических средств защиты людей от негативного воздействия продуктов горения на объекте пожара, в настоящее время нет способа и технического устройства для снижения концентрации
дымовых частиц путем их осаждения, который мог быть применен пожарными в процессе тушения пожара.
Таким образом, целью работы является улучшение видимости при тушении пожаров в задымленных помещениях на объектах энергетики посредством осаждения дыма.
Для реализации поставленной цели в работе необходимо решить следующие задачи:
– определить причины образования задымленных зон на основе анализа пожаров на объектах энергетики;
– теоретически обосновать выбор способа осаждения дыма в замкнутом объеме;
– разработать принципиальную схему работы устройства для реализации способа осаждения дыма в замкнутом объеме;
– обосновать технические характеристики устройства для осаждения дыма;
– разработать конструкцию устройства для реализации способа осаждения дыма;
– разработать методику проведения эксперимента и провести экспериментальное исследование для определения технических характеристик и эффективности работы устройства осаждения дыма.
Объект исследования – процесс тушения пожара в зоне задымления на объектах энергетики.
Предмет исследования – осаждение дыма при пожарах на объектах энергетики для обеспечения доступа пожарных к зоне горения.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Теоретически обоснован и предложен способ осаждения дыма при тушении пожаров на объектах энергетики температурно-активированной водой (ТАВ), который заключается, во-первых, в одновременной реализации основных механизмов осаждения аэрозолей, во-вторых, с получением синергетиче-ского эффекта
-
Впервые предложена конструкция устройства осаждения дыма (аэрозоля) на основе технологии ТАВ.
3. Определена зависимость производительности устройства осаждения
дыма от относительного недогрева воды при постоянном давлении.
Теоретическая и практическая значимость работы определяется:
– в разработке способа, реализующего основные механизмы осаждения аэрозолей с получением синергетического эффекта, позволившего интенсифицировать процесс осаждения;
– в разработке алгоритма расчета производительности прототипа устройства, реализующего способ осаждения дыма на основе технологии ТАВ;
– в разработке конструкции устройства осаждения дыма (аэрозоль) на основе технологии ТАВ;
– в применении полученного технического средства для осаждения дыма в помещении объекта энергетики для улучшения видимости в задымленной зоне;
– в возможности дальнейшего развития направления осаждения аэрозолей (дым) и модернизации устройства на основе полученных результатов.
Методология и методы исследования. Для решения поставленных задач использованы теоретические и экспериментальные методы. Теоретический метод исследования: анализ способов получения водного аэрозоля и механизмов осаждения аэрозолей; математическое моделирование процесса истечения воды через сопло Лаваля с применением программного комплекса CFD ANSYS CFX. Экспериментальный метод исследования: проведение натурных экспериментов для определения технических характеристик и эффективности работы устройства для осаждения дыма.
Практическая значимость работы подтверждена использованием результатов исследования при:
– разработке рабочей конструкторской документации и изготовлении опытно-экспериментального образца устройства осаждения дыма ТАВ на Мытищинском приборостроительном заводе;
– отработке тактических приемов работы с устройством осаждения дыма ТАВ в задымленной зоне личным составом ФГКУ «СПСЧ ФПС по Московской области»;
– подготовке оперативного персонала Смоленской АЭС к действиям при возникновении пожара;
– подготовке фондовой лекции по дисциплине «Организация газодымо-защитной службы» на тему «Организация и выполнение работ в СИЗОД» для учебного процесса Академии ГПС МЧС России;
– выполнении научно-исследовательской работы на тему: «Научно-обоснованные предложения по разработке генератора водяного тумана в мета-стабильном состоянии рудничного исполнения для предотвращения взрывов пыле-газовоздушных смесей и тушения развитых подземных пожаров».
Положения, выносимые на защиту:
– анализ пожаров объектов энергетики, сопровождающихся задымлением в замкнутом объеме;
– способ осаждения дыма и техническое устройство для его реализации;
– результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований способа осаждения дыма ТАВ.
Степень достоверности результатов исследования. Достоверность представленных в диссертации результатов достигалась:
– проведением экспериментальных исследований с использованием сертифицированного, поверенного оборудования, достаточной точностью средств измерения;
– применением физически обоснованных математических моделей для решения гидродинамической задачи;
– удовлетворительной сходимостью экспериментальных и теоретических результатов.
Апробация результатов работы: 3-я международная научно-
практическая конференция «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2014); 4-я международная науч-
но-практическая конференция «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2015); всероссийская конференция и школа для молодых ученых «Системы обеспечения техносферной безопасности» (г. Таганрог, ЮФУ, 2015); 24-я международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Системы безопасности – 2015» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2015); 5-я международная научно-практическая конференция «Пожаротушение: проблемы, технологии, инновации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2016); 5-я международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов «Проблемы техносферной безопасности – 2016» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2016); семинар-совещание «Проблемы организации тушения пожаров всеми видами пожарной охраны на территории Российской Федерации» (г. Москва, Академия ГПС МЧС России, 2017); 1-я межвузовская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы профессиональной подготовки пожарных и спасателей» (г. Иваново, Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2017); XI международная научно-практическая конференция молодых ученых: курсантов (студентов), слушателей магистратуры и адъюнктов (аспирантов) «Обеспечение безопасности жизнедеятельности: проблемы и перспективы» (г. Минск, Университет гражданской защиты МЧС Республики Беларусь, 2017); IV Всероссийская научная конференция и школа для молодых ученых (с международным участием «Системы обеспечения тех-носферной безопасности» (г. Таганрог, ЮФУ, 2017).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 научных работ, из них 7 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК и 1 патент Российской Федерации на изобретение.
Структура, объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 140 страницах текста, включает в себя 6 таблиц, 42 рисунка, список литературы из 125 наименований.
Критерий определения достаточной и недостаточной видимости на месте пожара
Особенностью достижения положительного эффекта от применения ТВ является наличие приточного и вытяжного проемов. Создание двух проемов – одного в нижней части здания, а другого в верхней части для обеспечения целенаправленного движение воздушного потока. Между приточным и вытяжным проемами должно существовать пространственное соединение, так называемый вентиляционный канал, по которому двигаются продукты горения из зоны повышенного давления в зону пониженного, что в условиях пожара не всегда возможно.
Один из примеров применения ТВ на объекте энергетики – это пожар на «Горьковском» кабельном коллекторе ГУП «Москоллектор». В результате пожара 31 октября 2013 года в 18 часов 52 минуты произошло возгорание изоляции высоковольтных кабелей Московской кабельной сети филиала ОАО «МОЭСК» 10 кВ. От воздействия высоких температур в коллекторе оплавилась защитная оболочка кабелей на 70 погонных метрах. На момент прибытия РТП-1 из вентиляционного проема коллектора на уровне тротуара шел густой дым. Происходило горение кабелей, продукты горения и высокая температура интенсивно распространялись по коллектору. После проведения разведки пожара было установлено, что горение происходит в кабельном коллекторе, находящемся под жилыми домами. Вход в коллектор, его длину и направление сразу установить не удалось, так как из коллектора происходило интенсивное выделение тепловой энергии и продуктов горения. В ходе дальнейшей разведки было установлено, что существует два входа в коллектор. После прибытия РТП-2 произвел развертывание сил и средств, организовал штаб пожаротушения, организовал взаимодействие с представителями ГУП «Москолектор» по отключению напряжения в коллекторе. На момент прибытия РТП-3 в 19 часов 51 минуту обстановка была сложная, в коллекторе создалась высокая температура, продукты горения быстро заполняли коллектор, общая протяженность задымленного коллектора составила около 1 километра. Напряжение в коллекторе было снято частично. РТП-3 принял решение для проведения разведки удалить продукты горения из коллектора, применив тактическую вентиляцию, для чего возле подземного перехода на станцию метро «Пушкинская» установили 3 вентилятора.
Перед началом ТВ со всеми участки тушения пожара (УТП) была организо 28 вана устойчивая радиосвязь. Существовал риск направить все продукты горения в общественные здания и жилые дома или увеличить площадь пожара. Для выпуска дыма при помощи аварийно-спасательного инструмента были вскрыты люки. На входах в коллектор и в штабе пожаротушения создан резерв порошковых огнетушителей. Все УТП были предупреждены по радиосвязи о возможных опасностях, а также о необходимости наблюдения за обстановкой на пожаре. Сразу после начала ТВ с УТП начала поступать информация об интенсивном выходе продуктов горения из технологических отверстий, появилась возможность войти в коллектор со стороны перехода метро. В кабельном коллекторе практически сразу же за очагом пожара находилась металлическая перегородка, которая и не дала пройти продуктам горения дальше в сторону зданий (жилых и общественных), что было установлено после ликвидации пожара. Полностью удалить продукты горения удалось практически до середины коллектора, примерно 100–120 м от места входа, по причине того, что практически весь воздух выходил из множества технологических отверстий. При этом температурное воздействие на личный состав ощущалось за 20 м до самой площади пожара из-за того, что стены коллектора и кабели сильно прогрелись. В ходе предпринятых действий удалось обнаружить очаг пожара и произвести его тушение с помощью порошковых огнетушителей [39].
Данный пример показывает положительный опыт применения ТВ для обеспечения приемлемых условий работы пожарных. Но следует отметить, что существовала угроза удаления продуктов горения через здание, где могли находиться люди, и лишь благодаря металлической перегородке, которая ограничила распространение продуктов горения, удалось этого избежать. В условиях пожара, а особенно на опасных и сложных объектах, очень сложно предугадать последствия поступления свежего воздуха к зоне горения. Также данный способ требует организации и высоко слаженных действий между всех участников тушения пожара для предотвращения его развития.
Из этого следует, что ТВ не может полностью решить проблему по обеспечению приемлемых условий работ по тушению пожара, так как требуется значи 29 тельное время для организации данного способа и дополнительный резерв сил и средств.
Проведенный анализ способов удаления дыма показал, что стационарные системы дымоудаления с естественным или механическим побуждением, в первую очередь предназначены для обеспечения безопасной эвакуации людей при пожаре. Для обеспечения условий видимости в задымленном помещении в процессе тушения пожара данные системы, как правило, на практике не используются из-за опасности развития пожара. Системами дымоудаления оборудуются, как правило, помещения, где есть необходимость в обеспечении эвакуации людей. В частности на объектах энергетики защищаются противодымной вентиляцией только основные помещения, которым относятся машинный зал, помещение пульта управления и пути эвакуации для персонала (лестничные клетки, коридоры). Поэтому пожарные используют в практике тушения пожаров мобильные средства (дымососы, нагнетательные вентиляторы) позволяющие организовать дымоудаление, независимо от наличия систем противодымной вентиляции.
Можно сказать, что подход дымоудаления, не смотря на очевидные преимущества (эффективность и простота применения, минимальные затраты), обладает рядом существенных недостатков, ограничивающих его использование в практике пожаротушения: – во-первых, дымоудаление обеспечивает приток свежего воздуха в зону горения, что влечет собой более интенсивное горение, поэтому требуется предусматривать резерв сил и средств для сдерживания пожара; – во-вторых, образование «мертвых» зон (зоны с ограниченным газообменом с окружающей средой). Как правило «мертвые» зоны образуются при удалении дыма в помещении, не имеющего непосредственного выхода в окружающую среду; – в-третьих, продукты горения распространяются по всему воздушному каналу, по которому происходит удаление дыма; – в-четвертых, наносится экологический ущерб, так как продукты горения посредством нагнетания воздуха выбрасываются в окружающую среду.
Гидравлическое распыление
При использовании способа подвода акустической энергии через жидкость (распыление жидкости в фонтане) размер получаемых капель будет в пределах 2–4 мкм, что является сопоставимым с дисперсностью дыма; однако данный метод доступен для реализации фокусирующими излучателями, имеющими незначительные размеры и, соответственно, малую производительность: всего лишь 0,2 л/час [78]. Поэтому такой способ распыла используется на практике в той сфере, где необходим качественный мелкодисперсный аэрозоль в небольших количествах, например, в медицине [93]. При реализации способа распыления жидкости в слое производительность может достигаться от одного распылителя до 0,8 л/с, а дисперсность получаемого аэрозоля – от 1 до 100 мкн [94]. Созданный водный аэрозоль может оказаться эф фективным для решения задач по осаждению дыма. Но для реализации распыла жидкости акустическим способом необходима система, состоящая из источника питания; задающего генератора звуковой частоты, блока управления и другого сопутствующего оборудования [79]. Таким образом, распыление жидкостей акустическим способом может эффективно использоваться в промышленности и сменить пневматический метод распыла, так как он позволяет получить более качественный распыл жидкости. Но в пожарном деле из-за сложности получения водного аэрозоля его использование маловероятно на данном этапе, так как в таком случае будет необходимо использовать специальное оборудование для его реализации. 2.2.6 Распыление горячей воды
В настоящее время активно развивается научное направление, которое изучает способы получения водного аэрозоля за счет распыла нагретой воды свыше 100 C. Известно, что с увеличением температуры воды уменьшаются ее некоторые показатели: кинетическая вязкость, силы поверхностного натяжения и силы взаимосвязи молекул [95]. Изменение физических свойств воды позволяет получить более высокодисперсный водный аэрозоль при прочих равных условиях при использовании гидравлического и механического метода распыла.
Использование распыла нагретой воды было предложено в 1970 году для обработки воздуха горячей водой для кондиционирования воздуха помещений. В работе «Использование нагретой воды в кондиционирования воздуха» изучался распыл нагретой воды с температурой от 90–140 C механическим методом для поддержания необходимой температуры воздуха в производственных помещениях. Один из выводов работы состоит в том, что использование нагретой воды позволяет повысить эффективность систем кондиционирования воздуха в 1,5–2 раза за счет сокращения удельных энергозатрат на получения водного аэрозоля. В данном исследовании было показано, как можно повысить качество получаемого распыла водного аэрозоля, не меняя самих принципов методов распыла воды [95].
Впервые применять кипящую воду для тушения пожаров было предложено еще в 1893 г. И. А. Вермишевым. Но данное направление не получило практического применения из-за отсутствия технических возможностей получения необходимых объемов перегретой воды и средств ее подачи для тушения реальных пожаров [96].
Академик Ф. А. Летников в середине 70-х ХХ в. ввел понятия активированная вода и температурная активация, описал ее свойства и условия получения, что положило начало активному поиску способов ее приготовления [97]. В этой работе констатируется открытие метастабильного состояния у воды и водных растворов после их нагрева до критических температур при высоких давлениях. Активация воды объясняется структурными изменениями. Высказано предположение, что вода, прошедшая температурную активацию, после остывания до первоначальной температуры сохраняет некоторое время структуру воды нагретой до близкой критической температуры, и, соответственно, обладает ее свойствами. Исследования подтвердили, что температурная активация приводит к уменьшению pH, увеличивается электропроводность, повышается растворяющая способность ко многим неорганическим соединениям и природным минералам. Полученные результаты, изложенные в работах [95, 97], послужили стимулом для развития направления в области тушения пожара струями горячей воды.
Уже в 1970 году проводились исследования, изучающих эффективность тушения пожаров перегретой водой. Было отмечено, что ее применение для пожаротушения обладает рядом преимуществ как для системы тушения тонкораспыленной водой, так и системы тушения паром. Также было доказано, что водяной пар обладает ингибирующим механизмом тушения, что является одним из объяснений его высокой тушащей способности [98].
В 1978 году был предложен способ тушения пожаров перегретой водой и устройство для его осуществления [99]. Было предложено герметичную емкость заполнять водой на 65–70 %, затем в дежурном режиме воду нагревали до 160–200 C. Давление в емкости было равно давлению насыщения при заданной температуре воды (0,62–1,55 МПа). При необходимости открывалась запорная арматура, и перегретая вода под давлением собственных паров вытеснялась из емкости. В дальнейшем на данном принципе было предложен ряд установок, на которых проводились исследования по изучению эффективности тушения пожаров перегретой водой. В общем виде конструкция установок состоит из емкости для воды, арматуры с распределительными трубопроводами, источника нагрева воды и оконечного устройства (рисунок 2.8).
Работающие установки получения перегретой воды на принципе объемного нагрева имели существенные недостатки: необходимость постоянно поддерживать определенную температуру воды, цикличность. Также следует отметить, что давление в емкости было близко давлению линии насыщения, вследствие этого при открытии запорной арматуры вода закипала еще в трубопроводе до истечения из сопла, что приводило к значительным энергетическим потерям. Эти основные недостатки объемного способа получения перегретой воды стали основной причиной нецелесообразности применения перегретой воды для пожаротушения, невзирая на высокую эффективность тушения.
Привод устройства осаждения дыма
Таким образом, для работы привода устройства осаждения дыма необходимо определить параметры подводимой воды к соплам. Так как получаемые паро-капельные струи воды используются для укрупнения дымовых частиц в корпусе устройства, необходимо получить максимальное перенасыщение паром, что может быть достигнуто при повышении температуры воды. Одновременно необходимо обеспечить недогрев воды и создать запас теплоты для взрывного вскипания, в результате которого и образуется ТАВ. Исходя из вышесказанного, понятно, что температура воды напрямую зависит от входного давления.
Рабочее давление ограничено техническими возможностями экспериментального устройства, используемого для осаждения дыма, и составляет 2 МПа. Это обусловлено необходимостью гарантированного сохранения герметичности камеры, где установлены манжеты (рисунок 3.2). Проведенный анализ в параграфах 3.1 и 3.2 показал, что на производительность устройства осаждения дыма будет влиять не только на конструктивные решения (геометрия сопла Лаваля, размер Сегнерова колеса), но и на важные параметры рабочего тела. Температура воды напрямую влияет на долю получаемого пара при выходе ее из сопла: чем ближе температура воды к критической температуре воды (373,98 C), тем доля паровой фазы больше.
Эффективность осаждения дыма способом, предложенным во второй главе, зависит от получаемого укрупненного аэрозоля за счет быстрого процесса роста капли на дымовых частицах. Для этого необходимо максимально перенасыщать паром объем корпуса устройства, тем самым создавая условия протекания гетеро-нуклеации. Поэтому температура воды, подаваемая к соплам, должна быть как можно ближе к критической температуре (373,98 C). Повышение температуры влечет за собой необходимость в повышении давления, которое должно быть больше давления насыщенных паров для предотвращения вскипания воды до среза сопла. В исследовании было ограничение (по техническим причинам) в физических параметрах воды, а именно: избыточного давления было равно 2 МПа. Для данного давления температура насыщенной воды составляет 212,4 C [120].
С другой стороны, необходимо обеспечить достаточный крутящий момент, передаваемый к крыльчатке, частота вращения которой определит конечную производительность устройства. Для выполнения данной задачи требуется получить максимальные тяговые характеристики сопла. Согласно работам [108, 119], при уменьшении относительного недогрева воды (увеличение температуры) падает реактивная тяга струи.
Таким образом, необходимо провести математическое моделирование истечения воды с различной температурой под давлением 2 МПа из сопла Лаваля, соответствующего конструктивным требованиям, заданным в параграфе 3.1. Для определения принципиальной возможности использования привода (рисунок 3.3), обеспечивающего необходимую частоту вращения крыльчатки.
Для обоснования выбора рабочего режима устройства осаждения дыма было произведено гидродинамическое моделирование процесса истечения воды через сопло Лаваля, которое сопровождается интенсивными фазовыми переходами, что необходимо учитывать при построении расчетной модели. В результате моделирования были определены основные характеристики потока: массовые доли пара и воды, скорость, давление и реактивное усилие струи на срезе сопла.
Стационарная задача рассмотрена в трехмерной постановке. На рисунке 3.4 схематично отображена расчетная схема и граничные условия: на входе сопла задается давление, равное 2 МПа, на выходе – атмосферное давление, на остальных поверхностях – условие прилипания к твердой поверхности. Рисунок 3.4 – Расчетная модель в сечении и граничные условия 1 – направление потока воды; 2 – входное сечение; 3 – корпус сопла Лаваля; 4 – область моделирования; 5 – выходное сечение сопла Лаваля Моделирование проводилось для различных значений температуры воды: от 160 до 200 С.
В расчетной модели были приняты следующие допущения: процесс теплообмена исключен из моделирования, так как в процессе истечения воды был установлен режим теплового равновесия для участка моделирования; не учитывалась шероховатость стенок; объемные силы отсутствуют. Для моделирования задачи, согласно описанной постановке, использовался программный CFD-комплекс ANSYS CFX. В ANSYS CFX многофазные однородные потоки описываются системой уравнений: - уравнение сохранения массы для каждой фазы: aa+v(rapat/a) = 2JraP s dt — - Р д(гара) уравнение сохранения количества движения для смеси: d(pmU) + V-(pmUxU) = -Vp (з.з) dt уравнение сохранения объема: a a=l (3.4) где Г, - поток массы на единицу объема из фазы в фазу , г - объемная доля фазы , U - вектор скорости, , т - плотность фазы и плотность смеси, соответственно, р - давление, - тензор вязких напряжений. В ANSYS CFX для описания процесса кавитации используется уравнение Рэлея - Плессета, с помощью которого можно получить уравнение, описывающее скорость образования пара. Общее уравнение Рэлея - Плессета выглядит следующим образом: dR (3.5) R— + dt 2K dt ) pfRB pf где RB - радиус пузырька, pv - давление в пузырьке (давление насыщенных паров жидкости при данной температуре), р - давление в жидкости вокруг пузыря, /- плотность жидкости, - коэффициент поверхностного натяжения.
Экспериментальное исследование изменения оптической плотности среды при работе устройства осаждения дыма
В процессе развития пожара на объектах энергетики одной из основных проблем при тушении пожара является доступ звеньев ГДЗС к зоне горения для подачи огнетушащих веществ.
Проведенные исследования позволили разработать техническое средство, которое позволяет снизить уровень задымленности путем выведения из взвешенного состояния частиц дыма, заменяя их на парокапельную среду выходящей из устройства осаждения дыма. Таким образом, обеспечиваются условия, способствующие прекращению пламенного горения. Так, в работах [123–125] впервые приведены интенсивности подачи ТАВ, при которых прекращается пламенное горение изоляционных материалов и горючих жидкостей. В зависимости от степени герметичности замкнутого объема (от 910–3 до 2210–3 м–1) пламегасящая интенсивность подачи ТАВ составила от 4,810–3 до 8,310–3 кг/м3с. В ходе проведения экспериментального исследования устройства осаждения дыма было установлено, что в процессе его работы происходит выход парокапельных струй, полученных в результате взрывного вскипания, соответствующих условиям образования ТАВ. Таким образом, можно сделать предположение, что данная среда обладает сходной огнетушащей способностью, исследуемой в работах [123–125].
Устройство осаждения дыма обладает габаритами и массой (приложение В), позволяющими перемещать его силами звена ГДЗС, что позволяет говорить о его мобильности.
Главным преимуществом разработанного технического средства является то, что оно позволяет реализовать осаждение дыма в процессе перемещения устройства, обеспечивая тем самым выход на позиции для подачи огнетушащих средств в зону горения. Также важно отметить, что для осаждения дыма используется устройство, которое можно применять как средство для тушения.
Приемы применения устройства осаждения дыма:
1. Обеспечение передвижения звена ГДЗС в задымленной зоне. В процессе передвижения в условиях отсутствия видимости звено ГДЗС перед собой продви 103 гает устройство осаждения дыма, в результате очистки воздуха постепенно задымленная среда заменяется парокапельной средой, тем самым повышается светопроницаемость среды помещения, обеспечивая локально повышение дальности видимости.
2. Очистка воздуха от аэрозолей в помещении. Устройство осаждения дыма устанавливается в помещении, далее подается к соплам Сегнерова колеса вода с рабочими параметрами, определенными в третьей главе (P = 2 МПа, Т = 180 С), в процессе работы из объема помещения очищается от загрязняющего аэрозоля (дым, пыль и т. п.) и заменяется парокапельной средой. Далее к соплам Сегнерова колеса подается «холодная» вода до 30 С, таким образом парокапельная смесь втягивается в корпус устройства и конденсируется на поверхности капель распыляемой воды. В результате объем помещения будет очищен не только от вредных аэрозолей, но и от парокапельной среды. Следует отметить, что существует возможность отработанную воду собирать в необходимом месте через дренажные отверстия устройства, в результате чего обеспечивается минимальный пролив воды.
3. Осаждение продуктов горения и подавление пламенного горения в помещении пожара. Если высокая температура исключает продолжительное нахождение звеньев ГДЗС в помещении пожара, тогда устройство вкатывается в помещение пожара до возможно ближайшего расстояния к зоне горения и оставляется пожарными до снижения или полного прекращения пламенного горения. В результате подобных действий снижается температура и выделение продуктов горения.
Первый и второй приемы применения устройства осаждения дыма отрабатывался личным составом специализированной пожарно-спасательной части федеральной противопожарной службы по Московской области, что подтверждается актом внедрения (приложение А). Отработка применения тактических приемов проводилась в помещении объемом 100 м3. Условия проведения занятия: в помещении производился поджог РДГ-2ч, в результате чего видимость снижалась до нуля, далее звено ГДЗС вносило работающую установку осаждения дыма в внутрь помещения. После отработки производился опрос задействованного звена ГДЗС для получения экспертной оценки работы установки в условиях, приближенным к реальным условиям пожара.
В ходе проведенного эксперимента был выявлен как ряд достоинств, так и недостатков устройства осаждения дыма.
К достоинствам применения устройства отнесено, что в течение 2 мин продукты горения от РДГ-2ч были выведены из взвешенного состояния, в процессе продвижения с устройством в помещении было возможно его продвигать перед собой.
Основные выявленные недостатки: большая масса устройства (50 кг), нет возможности направить выходящий парокапельный поток в необходимую сторону, не смотря на повышение светопропускаемости среды в процессе очистки воздуха от продуктов горения, требовалась подача распыленной «холодной» воды для снижения концентрации парокапельной смеси в помещении.
Таким образом, отработка приемов применения устройства осаждения дыма показала, что реализованный способ осаждения дыма с помощью разработанного технического средства в результате исследовательской работы применим в процессе тушения пожара. Получаемый технический результат с помощью мобильного средства позволяет локально в короткий срок (до 2 мин) очистить воздух от продуктов горения, тем самым повысить светопропускаемость среды. Выявленные недостатки не носят принципиального значения на реализацию самого способа осаждения дыма и могут быть устранены в ходе доработки конструктивных решений устройства осаждения дыма, не меняя принципа работы.