Введение к работе
Актуальность проблемы. В экономике современного общества состояние топливно-энергетического комплекса играет важнейшую роль. Увеличение доли нефти и газа в производстве различных форм энергии вывели нефтегазодобывающие районы России на передний край народного хозяйства. В последние десятилетия резко выросла роль Западной Сибири (в частности, Тюменской области) как гл -;-:? ?нэргет7л:ес;-'ой базы государства. Расширение с/ар:-!* и создание новых центров добычи углеводородного сырья требует увеличения объемов капитального жилищного строительства и создания инфраструктуры для нормальной работы и жизнедеятельности.
Ряд проблем, возникающих при обустройстве новых городов и поселков 'Тюменского Севера, стал предметом изучения многих научных коллективов страны, в том числе и коллектива, возглавляемого автором данной работы.
Разработка и широкое применение в регионе комплектно-блочного метода строительства с использованием легких ограждений стимулировала экспериментальное и теоретическое исследование теплозащитных характеристик легких панелей с учетом "мостов холода" и эксплуатационных и монтажных особенностей.
Экспериментально и теоретически изучались тепловые и воздушные режимы в производственных помещениях, в том числе на компрессорных станциях, где значительны теплоизбытки на рабочих местах.
Применительно к задаче создания оптимального внутреннего климата в жилых и рабочих помещениях рассматривалось внедрение в практику новых перспективных систем отопления и теплоснабжения: безэлевагорной системы отопления и бескомпенсаторной прокладки трубопроводов.
Предложены рациональные схемы вентиляции, которые позволяют значительно уменьшить загазованность и пожароопасность рабочих помещений. На данном этапе работы и потребовалось внимательное изучение физико-химических свойств дисперсных систем. Выяснилось, что обеспечение воздушного режима и взрывобезопасности помещений часто решается одними и теми же инженерными методами.
Актуальность проблемы определяется разработкой и внедрением новых интенсивных и эффективных технологий в народное хозяйство, сочетающихся с теоретическим и экспериментальным исследованием проблем и предложением новых методов расчета и нормативных материалов. Конечным результатом работ автора является экономия топлива и энергии при одновременном улучшении условий труда и быта.
Цель работы состоит в комплексном решении крупной научной проблемы, включающей разработку теоретических основ и практических способов создания тепловых, воздушных и взрывобез-опасных режимов в производственных и жилых помещениях,которые имеют преимущество в экономии материалов и энергии при их создании по сравнению с ранее применявшимися способами. Основные задачи исследований:
-
Разработать физико-математическую модель расчета тепло-потерь легких ограждающих конструкций сооружений нефтегазопроводов с учетом неоднородности тепловых потоков.
-
Выполнить натурные обследования воздухопроницаемости стыковых соединений блок-боксов.
-
Для разработки мероприятий по поддержанию тепловых воздушных и безопасных режимов пожаровзрывоопасных помещений провести изучение основных физико-химических характеристик дисперсных систем с высокой теплотворной способностью и низкой температурой воспламенения.
-
Создание методик и исследование основных параметров взры-ваемости материалов с высокой теплотворной способностью.
-
Разработка основ расчета аварийной вентиляции с учетом основных характеристик физико-химической активности.
-
Поиск основных перспективных направлений по разработке
и внедрению инженерных систем поддержания тепловых, воздудоьлс и безопасных условий пожаровзрывоопасных помещений. Методика исследований. 3 процессе ньг.-чных исследований автор основывался на общих принципах системного подхода.
Разработка практического применения исследований включала теоретическув проработку вопросов, моделирование, проверку адекватности в лабораторном эксперименте и окончательную апробацию в опытно-производственных условиях. При этом осуществлялась и обратная связь "от практики - вновь к теории",
что позволило уточнить ряд теоретических модельнных положений в процессе исследования.
В целях углубленного изучения явлений и их формализации были использованы современные методы исследования: математическая статистика, многофакторное планирование эксперимента, теория оптимизации, микроскопические электронографи-ческие исследования и др. Расчеты и анализ выполнялись на ЭВМ.
Комплексное исследование теплового, воздушного и взры-вобезопасного режима помещений нашло отражение в регионально-отраслевом решении проблемы, включающем организационно-технологические, материальные, конструкционные решения.
Задача оптимизации стыков легких ограждений решалась на
основе методов механики сплошных сред при наличии пор и фи
зико-химической механики, теории оптимизации и математическо
го моделирования. : ::
Впервые комплексно исследовалась работа вентиляции с учетом физико-химических характеристик и параметров взрывае-мости, что позволило обосновать методику расчета вентиляции для взрывоопасных помещений.
Научная новизна. В работе исследованы, сформулированы и научно обоснованы основы и принципы создания и поддержания теплового, воздушного и взрывобезопасного режимов сооружений и внедрены новые более надежные и экономичные системы теплоснабжения, отопления и вентиляции.
Указанные принципы заключаются в разработке новых аналитических и экспериментальных методов комплексного рассмотрения возможностей повышения производительности труда посредством усовершенствования энергетических инженерных систем, контроль безопасного протекания технологических процессов и улучшения условий труда.
Для комплексного решения задачи по температурно-воздуш-ному режиму пожаровзрывоопасных помещений в работе решаются следующие основные научные задачи:
-
Аналитическое решение задачи тепловых потерь через наружные ограждения с учетом теплофизических и конструктивных особенностей легких наружных ограждений.
-
Поддержание теплового режима помещений с учетом теплопос-
туплений от технологического оборудования и инженерных систем теплоснабжения и отопления.
-
Экспериментальная проверка физико-математической модели тепловой защиты легких ограждений.
-
Изучение вопросов инфильтрации воздуха через наружные ограждения, классификация стыковых соединений и разработка рекомендаций по уплотнению стыков.
-
Разработка теоретической модели и экспериментального метода получения монодисперсной фракции частиц порошка при выносе из кипящего слоя.
-
Разработка методики исследования нижнего концентрационного предела воспламенения и распространения пламени в поточной установке как монодисперсного, так и полидисперсного материалов .
-
Обоснование физической модели расчета аварийной вентиляции пожаровзрывоопасных помещений в зависимости от основных характеристик: концентрации, н.к.п.в., теплотворной способности материалов и т.д.
Впервые, благодаря комплексному изучению тепловых, воздушных и взрывоопасных условий, удалось качественно и количественно "увязать" в единый комплекс теоретические и экспериментальные работы с массовым внедрением. Основные защищаемые научные результаты:
1. Создание впервые аналитических и численных методов расче
та основных элементов тепловой защиты с учетом инфильтрации,
неоднородности распределения температур и наличия "мостов холо
да" для легких ограждающих конструкций типа блок-боксы.
Экспериментальная проверка достоверности разработанной модели в лабораторных и натурных условиях.
-
Разработка методик с последующим исследованием основных закономерностей и параметров воспламенения и взрываемости аэровзвесей и методов флегматизации процессов горения в 'технологическом оборудовании и вентиляционных системах.
-
Предложенную автором физико-математическую и экспериментальную модель для разделения тонких материалов на фракции в восходящем потоке воздуха.
-
Разработанные с участием автора системы создания и поддержания заданных условий пожаровзрывоопасных помещений.
5. Эффективность внедрений результатов работы. Практическая ценность работы состоит в осуществлении возможности решения следующих проблем:
круглогодичное поддержание температурных и воздушных режимов помещений;
расчет теплопотерь легких ограждений с учетом "мостов холода";
определение температур на поверхностях легких панелей при неоднородности температурных полей;
гидравлический расчет с применением ЭВМ безэлеваторных систем отопления и внедрение их в Западной Сибири;
расширение области применения СК-труб;
особое большое практическое значение имеет работа для создания безопасных условий труда на предприятиях с применением дисперсных материалов;
исследованы основные характеристики, влияющие на параметры взрываемости: дисперсность, концентрация, физико-химический состав материала, теплотворная способность, равномерность распределения частиц в цилиндре и в поточной установке;
впервые получен устойчивый фронт пламени в области н.к.п.в;
разработана аналитическая методика расчета выноса монодисперсных материалов из состава исходного полидисперсного материала, разработана программа расчета и построения на ЭВМ интегральной кривой и распределения частиц при воздушной сепарации.
Задачи, решаемые в работе, являются составной частью проблемы, включенной в следующие научно-технические программы:
а) Комплексная программа работ на 1986-1990 годы по совер
шенствованию конструкций тепловых сетей и защите трубопро
водов от коррозии (задание 10, Госстрой );
б) программа 01.07 - задание Госстроя № ИИ-І4 от 16.09.85;
в) программа "Нефть и газ Западной Сибири" (Минвуз).
Реализация в промышленности. Результаты исследований вклю
чены во Всесоюзный нормативный документ СНиП "Отопление,,
вентиляция и кондиционирование воздуха", в котором отраже
ны особенности строительства в Западной Сибири энергетическо-
го комплекса.
Некоторые результаты расчета теплозащитных свойств легких наружных ограждений включены в ведомственный нормативный документ "Инструкция по теплотехническому расчету легких ограждающих конструкций боксов с теплопроводными включениями", 1983 г.
Предложенные методы оценки теплопотерь с последующим разрывом "мостов холода" внедрены в СибНИПЙгазстрое г.Тюмени и тресте "Мегионгазстрой" в г.Нижневартовске.
Системы отопления внедрены на объектах треста "Иртыш-сантехмонтаж" Минмонтажспецстроя СССР, а новизна подтверждена авторским свидетельством за № 1556239.
Методики и результаты исследований характеристик взры-ваемости используются Всесоюзным алюминиево-магниевым институтом (г.Санкт-Петербург), Всесоюзным институтом противопожарной обороны, ОКТБ ШІ АН Украины, ИЧМ АН Украины и другими ведущими организациями народного хозяйства.
Подтвержденный экономический эффект, полученный от внедрения результатов исследований в практику проектирования, монтажа, эксплуатации, а также на предприятиях по созданию безопасных условий труда составил более 2,5 млн.руб. Кроме этого работа имеет большое социальное значение. Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на 18 международных, всесоюзных и республиканских конференциях, симпозиумах, совещаниях, семинарах, в том числе:
Состояние, меры по улучшению работы промышленной вентиляции в г.Киеве и области, Киев,1967; IX Республиканская конференция по вопросам испарения, горения и газодинамики дисперсных систем, Одесса,1969; научная конференция молодых исследователей, Киев,1970; X Всесоюзная конференция по актуальным вопросам испарения и горения и газовой динамики дисперсных систем, Одесса, 1970; Ш Всесоюзное научно-техническое совещание по вентиляции и защите атмосферного воздуха,М., 1975; региональная научно-техническая конференция "Вопросы гигиены окружающей среды в районах с высокоразвитой нефтяной, нефтехимической и химической промышленностью,Уфа,1977; УЇЇ научно-техническая конференция, Тюмень, 1978; конферен-
ция по охране труда на предприятиях Крайнего Севера,Якутск, 1978; Всесоюзная конференция по оптимизации трубопроводного транспорта нефти и газа, Москва, J979; областная научно-практическая конференция, Тюмень, Г9Є0; конференция "Опыт и проблемы новой техники и передовой технологии на строительстве объектов народного хозяйства области, Тюмень, 1981 конференция "Развитие прогрессивных методов градостроительства в сложных природных условиях", Нижневартовск, 1982; всесоюзная конференция "Нефть и газ Западной Сибири", Тюмень,1985; областная научно-методическая конференция "Опыт и проблемы повышения качества подготовки специалистов", Тюмень, 1985; областная научно-практическая конференция, Тюмень, 1987; международная конференция университетов СССР и Канады, Тюмень, 1991.
Диссертация базируется на результатах исследований, выполненных автором и в соавторстве при его ведущем участии на кафедре теплогазоснабжения и вентиляции ТюмЯСИ. Численные расчеты распределения температур на поверхностях легких ограждающих конструкций выполнены совместно с Горко-венко А.И., отдельные результаты по тепловой защите блок-боксов получены совместно с Гербером А.Д., определение изотерм на внутренней и наружной поверхностях алюминиевой панели с эффективной теплоизоляцией проведено совместно с Аксеновым Б.Г.
В проведении лабораторных исследований гидравлических режимов СК-труб принимали участие Семячкин Б.Е., Ильин В.В., в разработке программы и испытаниях БЭСО в натурных условиях принимали участие Ходаковский И.Н. и Хвощ СМ. В разработке физико-математической модели горения двухфазных потоков принимал участие Барлас Р.А.
Большую методическую помощь при исследовании основных характеристик взрьшаемости оказали Алексеев А.Г., Недин В.В., Нейков О.Д.
В экспериментальных исследованиях взрываемости газодисперсных систем принимали участие Тохтуев В.Г., Олишовец В.А., Працько А.Г., Циделко Т.Н.
Внедрение результатов исследований в практику промьш-
ленных исследований было бы невозможно без помощи Лунен-кова О.А., Янчева И.И., Проценко Г.В., Гулько А.А., Сур-гина М.Н., Стефурака Б.И. и др. Всем названным лица/л автор выражает искреннюю благодарность.
Объем и структура диссертации. Работа состоит из евєдєния, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из /6 наименований, списка работ автора из 65 наименований и приложения, в т.ч. 293 стр. основного текста, 12 стр. таблиц (23 шт.), 87 стр. рисунков, .'.-. '-тр. списка обце'і .': герэтурь; <: ьзтсра и 18 стр. приложения.