CC BY
48
ТРАНСПОРТ
Соловьёв, М.А.,
студент 5 курса, кафедра электротехники и мехатроники,
Южный федеральный университет e-mail: kolienko01 @mail.ru Soloviev, M.A.
Полуянович. Н.К.,
доцент кафедры электротехники и мехатроники,
Южный федеральный университет, e-mail: nik1 - 58@mail.ru Poluyanovich, N.K.,
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ВЗРЫВООПАСНЫХ ВЕЩЕСТВ В САЛОНЕ АВТОМОБИЛЯ
Аннотация. Система определяет предельное содержание имеющихся в салоне автомобиля взрывоопасных веществ и посылает информацию о характере, количестве и времени достижения взрывоопасной концентрации в блок управления климатической установки.
CONCENTRATION DISTRIBUTION EXPLOSIVE MATERIALS INSIDE THE VEHICLE
Summary. The system determines the limit for existing in-car explosive and sends information on the nature, number and time to reach explosive concentrations in air conditioning control unit
Ключевые слова: салон автомобиля, системы взрыво- и пожаробезопасности, климатическая установка, концентрация взрывоопасных веществ.
Keywords: vehicle interior systems, explosion and fire, air conditioning system, the concentration of hazardous substances.
Стремительное сокращение запасов ископаемого топлива и проблемы экологии привели к тому, что активно ведутся разработки альтернативных возобновляемых и экологически чистых источников энергии. Одним из перспективных путей развития в этой области является водородная энергетика. Ведется активный поиск путей перевода транспорта на водородное топливо [1]. Достигнуты определённые успехи: созданы водородно-воздушные топливные элементы, относительно решён вопрос получения и хранения водорода. Водород получают из природного газа, воды и биомассы. Так как водород является взрывоопасным, то необходимо обеспечить контроль его утечек. Следо-
вательно, создание систем взрыво- и пожаробезопасности является актуальной задачей, решение которой обеспечивает безаварийное функционирование потенциально опасных объектов.
Одним из приоритетных видов контроля безопасности является контроль газового состава. Для оценки ситуации и принятия рационального решения недостаточно измерять концентрацию целевого компонента в отдельной точке, необходимо «видеть» концентрационное поле с последующим анализом, позволяющим прогнозировать ход процесса. В системах взрывобезопасности требуется измерение концентраций веществ на уровне 10 % нижнего концентрационного предела, что соответствует 0,1 - 0,4 % об. Применяемые для этих задач термохимические сенсоры отравляются хлоро- и серосодержащими примесями, а также высокая температура ограничивают их срок службы. Альтернативным решением для задач взрывобезопасности при обнаружении утечек водорода на объектах водородной энергетики в качестве аналитической базы могут служить сенсоры на основе двуокиси олова - SnO2. Газовый сенсор опознает взрывоопасные и вредные вещества в воздухе салона автомобиля. При высокой концентрации вредных веществ подается сигнал блоку управления климатической установки о необходимости переключения в режим рециркуляции. Как только концентрация опасных и вредных веществ снижается, в салон опять начинает поступать наружный воздух.
Распределение концентрации взрывоопасных веществ в салоне автомобиля. Для расчёта концентрации с(хд), измеренной в момент времени ]
датчиком, расположенным на расстоянии X! от источника, может быть использована общая формула уравнения Бриггса [2]:
где %- скорость потока вдоль оси; Х1 - момент времени замера концентрации, отсчитанный от начала выброса; ?р(г)-функция истощения облака, обусловленная химическими превращениями; ^с(1) - функция истощения облака за счет сорбции на стенках салона; координаты точечного источника при этом X! =0, х2 =0, хз = 0; М - масса поллютанта. Ось х2 параллельна плоскости земли и ортогональна XI, ось хз направлена по нормали к поверхности земли; координаты датчика х± > о, Х2=0, хз=0; ^(п,1) - условные стандартные отклонения облака поллютанта (паров моторного топлива) вдоль направленной оси х (1 =1, 2, 3).Функции £р(0,Сос(£) выражаются формулами:
где Уа - скорость оседания частиц поллютанта.
Обе функции£р(0Дос(^ являются монотонно убывающими. Они равны
единице при 1=0:
£р(0) = ^(1) =1 и стремятся к нулю при Ь ОС (4)
Приближённые формулы ДЛЯ ^ (п^) имеют следующий вид:
(V 0ц») Чз) КО
*р0) = ехр(-к£),
(2)
Я1)К0 = 2К^ + ^э)КО — 2К31 +
СЕ^Оц!;)* <х\{\1±Х)2
----—ДсйК^ = 2К31 +--------------2 1,
1 + 10“4иД 1 2 1+10“4
1ц1
а\ (п^)3
5| + 1(Г
(5)
где к1 - коэффициенты диффузии поллютанта.
Значения коэффициентов сс2,аэ, согласно модели Бриггса, и в зависимости от класса устойчивости атмосферы изменяются в пределах:
- а2 - от 0,04 до 0,22,яэ от 0,016 до 0,20 при включенной вентиляции;
- а2 - от 0,11 до 0,32, аэ от 0,08 до 0,24 при отключенной вентиляции. Функции з3(1цё)для первого варианта рекомендуются Бриггсом в виде:
(1 + р и10_1со значениями |3 = 3 ■ 10-4, либо в виде (1 н- (3 их0а5 со значениями (3 = 1,5 ■ 10-4, |3 = 2 ■ 10-4, либо р = 0.
Для второго варианта: ^(и^вида (И-ро^)*5 со значениями
-4 о —
(3 = 1,5-10 4, (3 = 3-10 4, либо в виде (1 + (3 и1^°-,5со значениями (3 = 0, либо
В соответствии с зависимостью (1) массу М, приводящую к образованию взрывоопасного облака паров моторных топлив, можно рассчитать по формуле (6):
(Х1и102
м =
■ с(х< (п!1)^) (1Ч1)*4з) С11!1) ■ ехр
(6)
Для расчёта экспоненты в формуле (6) можно использовать формулу:
еа й; Цр/Ы® ад . (7^)
В расчётах оценки последствий аварии по теории Бриггса величины М и х принимают за постоянные и известные величины и рассчитывают только сш*1фв точках «х», т. е. преобразуют непрерывную функцию С(хД)в ее дискретное изображение С(хд). Уравнения (1) и при этом выполняют функции
оператора преобразования [3]. Уравнение (2) дает большие возможности для создания универсального подхода к вычислению функции С(хд) для любых
значений М, х, 1 Это, в свою очередь, позволяет получить функцию С(хД), т. е. преобразование функции С(хд) системой аналитических измерений. В наиболее простом случае это преобразование сводится к умножению с(хд) на
постоянный коэффициент измерительного преобразования, содержащийся в градуировочном графике. В более сложных случаях это преобразование приводит к расчёту частных производных йс(х,1)/й при х=сопб1 или к расчёту интеграла функции с(х,ё)в интервалец ..лп.
Расчёт концентрации паров бензина. Рассмотрим ситуацию, когда в салоне на площади возникло бензиновое пятно с массой Мб. Это пятно испаряется, переходя в состояние насыщенного пара с концентрацией Сб (около
0,7 г/л), а СКВ со скоростью и разносит этот пар по тоннелю[4]. В этом случае над пятном будет сохраняться концентрация Сб до момента^, когда испарение закончится, почти всё пятно высохнет, и все пары унесёт поток воздуха СКВ. Этот момент ьт определяется из материального баланса:
(^т — М0/СвиЗ,
1э = и02/4.
где Б - площадь сечения тоннеля, о - диаметр тоннеля.
Если мв = 20000 кг, и=1 м/с, с5 = 0,7кг/м3, 0=6 м, то из формул (10), (11) имеем: 5=28 м2; 1:т = 20000/0,7 ■ 1 ■ 23 й= 1000 с и 16 мин.
Если скорость потока и=0,5 м/сили 2 м/с, то по формуле (8) * 32 ми-
нуты или 8 минут, соответственно.
Распределение паров бензина в первом приближении будет следующим: если расстояние от пятна по длине салонах <хм, где:
то при 0 < ь < х/иимеемС ^ 0, а при условии х/и < «: < х/и + имеем С к ст.
При t > х/и -|- 1;тимеемС ^ 0. Если учесть некоторое размытие фронтов концентраций за счёт конвективной диффузии по модели Бриггса, то для расчёта может быть использована формула:
Ц(Ч) ( (х и - (1 Ц))3
* / й
Э V 2п (аи (і — Ц))
ехр
2(«и(1- 'Ц})2
\&%. (10)
где - интенсивность источника пара, т. е. испаряющегося пятна бен-
зина:
|і(ц) = М6/сви3 при О < Ь < = 0 при і > (11)
Формулу (10) можно представить в виде:
^ г 1 { (х — и ■ 11}2''
С(хД) И
V 2и(аиЦ)
ехр|
/-=1 і у2тїґа
2(011^)
(х - и ■ і±}2
(12)
Интегралы (12) не сводятся к табличным [5]. Однако, введя дополнительный множитель х/иц перед экспонентой, ЧТО при а = 0,2 НЄСуЩЄСТВЄННО ИЗМЄНИТ
величину интеграла, можно упростить формулу (12), в результате интегралы сводятся к табличным, и получим:
< т < т
с(хд)*с6ф(і(і —і)),о
С(хД) й; С5ф Ф
(13)
Параметры т = и17х, тт = и^/х. - безразмерные интервалы времени,
Ф(х) - интеграл вероятности.
Формулы (12), (13), (14) инвариантны относительно произведения «и!». Погрешности формул (13), (14) по сравнению с (11) и (12) невелики, так как вне области, гдецД 1, экспонента в (11) и (12) быстро убывает. Например, при
из формулы (11) имеем: а должно быть 1, т. е. погрешность при
а- 0,2 очень не велика.
В качестве примера приведены значения С/Сб при различных величинах т
и при тга, что соответствует, например, и = 1 м/с, х = 50, 100, 500, 1000 м, Мб =
20000 т, Сб= 0,7 кг/м3, й на рис. ’
6 м, 1т=1000с. Результаты расчёта С/Сб представлены
Рисунок 1. Графическое отображение результатов расчёта С/Сб
Расчёт времени достижения взрывоопасной концентрации. Отношение концентрации С(х, ]) к асимптотически предельному значению С(х, «) приближенно выражается формулой [6]:
х- расстояние, а- параметр Бриггса [а ъ 0,2).
Предположим, что:
С(х,1)
= в Р к 1
ф(;(
--і)) и ■ Ь *}
(16)
С(х.оо)
и1;/х = (1 — а агФ(р)) 1ГЬ = х/и(1 — а агФ(р)) 1Г (17)
где агФ(г) - функция, обратная Ф(г), т. е. корень уравнения:
Этот корень находится по таблицам функции Фф.
Например, если а = 0,2, р = 90 % = 0,9, то из формулы (16) имеем:
График на рис. 2. представляет собой отношение ш/х времени ] достижения концентраций С(х, ]) заданного относительного уровня р, к чисто кинетическому времени !к достижения ветром заданной точки «х», т. к. ко времени !к=х/и.
т. е. параметр \л/х имеет наглядный физический смысл.
Рисунок 2. Зависимость ш/х от параметра р
В качестве примера рассмотрим случай, когда р = 0.9, и = 1 м/с, х = 50, 150, 250 м, а = 0.2. В этом случае значения времени ] по таблице будут следующими (см. табл. 1).
Таблица 1
х(м) 50 150 250
1(с) 67 200 340
Если скорость ветра будет и = 10 м/с, то значения I будут, соответственно, в 10 раз меньше приведенных в табл. 1. Значение асимптотической концентрации с(х,оо) в формуле (16) определяется формулой:
Заключение
1. Общим свойством замкнутых объектов с углеводородным топливом является активное влияние на формирование ядра взрыва. При увеличении скорости потока воздушной смеси ядро взрыва, т. е. Дх, в пределах которого достигается предельная концентрация, уменьшается.
2. Существует принципиальная разница двух сценариев: по первому М=сопз1, а по второму - М = Р(1), т. е. последствия (поражающий фактор) возрастают с ростом ], так как при и=сопз!Дх возрастает. Это, в свою очередь,
означает пропорциональный рост объёма взрывающего вещества. Поэтому функции С(хД) для этих сценариев должны быть различными. Практический смысл функции С(хд) весьма прост: определение места расстановки и количества датчиков, позволяющее системе своевременно предупредить о возникновении ЧС, а также прогнозировать развитие ЧС с оценкой времени принятия парирующих решений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Латышенко, К.П. Технологические измерения и приборы [Текст] / К.П. Латышенко. - М.: МГУИЭ, - 2009. - 540 с.
2. Систер, В.Г. Экоаналитические технологии [Текст] / В.Г. Систер. - М.: ИРИДИУМ МЕДИА групп.- 2004. - 312 с.
3. Самарский, А.А., Попов, Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики [Текст] / А.А. Самарский, Ю.П. Попов. - Изд. 4.2004. - 424 с.
4. Тарасов, В.В. Мониторинг атмосферного воздуха [Текст] / В.В. Тарасов.
- М., 2000. - 97 с.
5. Патрикеев, В.А. Распределение газоаналитических систем безопасности на основе твердотельных сплавов [Текст] : дис. канд. техн. наук / В.А. Патрикеев. - М., 2008. - 198 с.
6. Попов, А.А., Латышенко, К.П. Информационно - измерительные системы для контроля экологического мониторинга [Текст] / А.А. Попов, К.П. Латышенко. - М., 2009. - 416 с.
