CC BY
13
УДК 614.8.084
Р. Р. Насибуллин, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров
ГАЗОВОЗДУШНЫЕ ЗАВЕСЫ, ФОРМИРУЕМЫЕ СВОБОДНОКОНВЕКТИВНЫМИ
ТУРБУЛЕНТНЫМИ ВОЗДУШНЫМИ СТРУЯМИ
Ключевые слова: Опасные и токсичные вещества, рассеивание, плоская поперечная воздушная завеса, свободноконвективная
турбулентная воздушная струя.
В данной статье был выполнен обзор работ, посвященных изучению газовоздушных завес, формируемых сво-бодноконвективными, направленными вверх турбулентными струями, получаемыми путем нагрева приземного слоя воздуха линейным источником теплоты, размещённым на поверхности земли поперёк содержащего опасные вещества набегающего потока воздуха.
Keywords: hazardous toxic substances, flat transverse air curtain, dispersion, free convective turbulent air jet.
In this article the review of the works, devoted to the study of gas-air curtains, formed via the free convective turbulent jets, obtained by heating the ground surface layer of air by linear source heat, which was placed on the surface of the ground across the air flow, containing hazardous substances, was completed.
Введение
Защитные завесы занимают особое место среди средств активной коллективной защиты органов дыхания людей от ядовитых или отравляющих веществ [1]. Защитные завесы, формируемые плоскими, приземными, направленными вертикально вверх газовоздушными струями, носят название газовоздушных завес [2]. Газовоздушные завесы формируются двумя способами - механическим и тепловым. Завесы, образуемые механической движущей силой, описаны в [3, 4]. В данной статье будет сделан обзор и анализ газовоздушных завес, формируемых тепловым способом.
Методы и технические устройства, формирующие газовоздушные завесы теплового типа
Несколько слов о механизме защиты воздушной завесы. Защитная приземная плоская направленная вертикально вверх струйная газовоздушная завеса вызывает за счет сил вязкостного трения подъем прилегающих с обеих сторон к завесе слоев воздуха от поверхности вверх на высоту, равную высоте завесы. Двигающееся по ветру от источника заражения облако ядовитых или отравляющих веществ при приближении к защитной газовоздушной завесе изменяет свою траекторию так, что приземная часть облака поднимается на высоту газовоздушной завесы. Более высокие части облака поднимаются на еще большую высоту. Поскольку подъем воздуха газовоздушной завесой осуществляется и с ее подветренной стороны, то после завесы облако ядовитых или отравляющих веществ не опускается к поверхности, а рассеивается в атмосфере. При этом концентрация ядовитых или отравляющих веществ в приземном слое по пути движения облака будет значительно ниже, чем без его подъема газовоздушной завесой [2].
Впервые о газовоздушных завесах, формируемых свободноконвективными турбулентными струями, описано в работе [5]. Авторы работы предлагают формировать газовоздушную завесу способом образования приземной, плоской, свободнокон-
вективной, турбулентной, направленной вверх газовоздушной струи путем нагрева приземного слоя воздуха линейным источником теплоты, размещенным на поверхности почвы поперек содержащего ядовитые или отравляющие вещества набегающего потока воздуха. Для разъяснения вышесказанного,
Рис. 1 [5] - Вертикальный поперечный разрез приземной плоской свободноконвективной газовоздушной струи в неподвижной атмосфере
Позиции на рисунке обозначают: линейный источник теплоты - 1; ось струи - 2; линии тока (траектории) частиц воздуха - 3; границы струи - 4; профиль вертикальной скорости в струе - 5; профиль температуры в струе - 6. В отсутствие ветра нагретый около линейного приземного источника теплоты 1 воздух под действием подъемной силы Архимеда поднимается вверх, образуя вертикальную струю нагретых газов. Особенностью плоского струйного течения атмосферного воздуха, при обычных условиях, над линейным источником теплоты является постоянство вертикальной скорости воздуха в центре струи ит по мере подъема, которая является максимальной в струе, не меняется по ее высоте и пропорциональна линейной плотности тепловыделения в источнике теплоты Ql (количество теплоты, выделяемое в единицу времени единицей длины линейного источника, Вт/м):
ит = 0,84 • &1/3
Отсюда следует, что чем больше интенсивность выделения теплоты 0 в источнике нагрева,
тем более интенсивной формируется над ним сво-бодноконвективная струя. При этом поток импульса в начале (внизу) струи равен нулю, но затем по мере ее подъема непрерывно возрастает за счет действия подъемной силы на нагретый воздух.
При возникновении ветра со скоростью V в направлении, поперек свободноконвективной плоской струи, он отклоняет ее от вертикали. Так происходит до тех пор, пока при фиксированной линейной плотности тепловыделения 0 в приземном
источнике скорость ветра не превысит некоторой величины, при которой происходит разрушение свободноконвективной струи. Причиной подверженности свободноконвективной струи разрушению поперечным потоком (в отличие от вдуваемых в поперечный поток струй) [3, 4], является отсутствие у свободноконвективной струи начального потока импульса, вследствие чего такая струя оказывает слабое динамическое противодействие поперечному потоку воздуха на начальном ее участке. Выполненные исследования позволили установить следующее соотношение между скоростью ветра V и соответствующей ему критической величиной линейной плотности тепловыделения в приземном источнике теплоты:
0* = 7,1 •V3 (!)
*
Здесь V выражено в м/с, 0 - в МВт/м.
Для того, чтобы свободноконвективная завеса, формирующаяся над линейным источником теплоты, не разрушалась под воздействием поперечного потока воздуха, плотность тепловыделения
в источнике 0 должна быть больше критической
И«
.
Также авторы привели в своей работе два примера применения тепловой газовоздушной завесы, где рассматривается аварийная ситуация, связанная с распространением опасного вещества в приземной части атмосферы при скорости ветра в 2 м/с, направленного параллельно земной поверхности в сторону населенного пункта. В первом примере, в качестве линейного источника теплоты, рассматривалось горящее жидкое топливо (керосин), налитое в горизонтальный лоток, во втором примере линейный источник теплоты представлял собой размещенный над поверхностью почвы трубопровод с продольными прорезями в верхней его части. В случае аварии на объекте в этот трубопровод подается природный газ и поджигается на выходе в атмосферу. При горении керосина или природного газа в атмосферном воздухе над горючим веществом формируется плоская свободноконвективная газовоздушная завеса. В указанных примерах авторы, используя зависимость (1), рассчитывали мини, * 3
мальный расход топлива М (кг/с или м /с), кото-
рый необходимо подавать в лоток или трубопровод, соответствующий критическому значению тепловыделения Q . При подаче сжигаемого топлива в количестве, меньшем М , газовоздушная струя будет разрушаться из за воздействия поперечного ветра, двигающегося со скоростью V , равном 2 м/с.
В работе [6] была проведена оценка эффективности газовоздушной тепловой завесы, у которой в качестве линейного источника теплоты служил размещенный над поверхностью земли трубопровод с продольными прорезями в верхней его части, откуда высвобождался природный газ с последующим горением и выделением тепла. Оценка эффективности проводилась посредством численного моделирования на программе Fluent. Рассматривалась аварийная ситуация, связанная с полным разрушением емкости, содержащей сжиженный хлор. Масса жидкости в емкости принималась равной 60000 кг. Температура окружающей среды принималась равной 27°С, скорость ветра на высоте 10 м - 2,5 м/с. Состояние атмосферы - изотермия. Материал подстилающей поверхности - бетон. Время экспозиции принималось равным 1800 с. Источник выброса хлора расположен на расстоянии 1500 м от начала расчетной области. Завеса, длиною в 200 м, находится на расстоянии 200 м от пролива, с подветренной стороны.
Для оценки размеров зон токсического поражения пользовались показателем токсодозы, учитывающим изменение концентрации в точке пространства в зависимости от времени и определяемой как [7]:
^эксп n
Dx y, Z)= {Cx y ztd=SC X y z,t) 0 = где D - токсодоза; tsxc„ - время экспозиции; At - шаг по времени; С - концентрация примеси.
Для хлора значения летальной и пороговой токсодоз равны соответственно SLCt = 6 и SPCt =0,6 мг-мин/л [7].
Температура хлора в емкости равна 300 К. Результаты численного исследования можно увидеть на рис. 2, 3.
400 У пороговая летальная
300 f^Zi
200
100
X
1400 2400 3400 4400 5400 6400 7400
Рис. 2 [6] - Профили летального и порогового значений токсодоз паров хлора на земной поверхности в отсутствии завесы
У
400
300
пороговая
200 л
летальная
100 \
х
1300 2300 3300 4300 5300 6300 7300
Рис. 3 [6] - Профили летального и порогового значений токсодоз паров хлора на земной поверхности при включенной завесе
Для более наглядного представления эффективности действия газовоздушной завесы в таблице 1 приведены значения площадей зон токсического поражения и Бра, соответствующие летальной и пороговой токсодозам на земной поверхности.
Таблица 1 [6] - Площади зон поражения хлором (время экспозиции 1800с)
Условие распростра- Степень
нения примеси снижения
Параметр Без заве- С включен- зоны по-
сы ной завесой ражения, %
Sbct, м2 761806,1 62021,62 92
Spct, м 2086683 91907,52 95
Заключение
Газовоздушные завесы, формируемые линейным наземным источником теплоты, обладает рядом преимуществ. Во-первых, у защитных завес очень высокая эффективность (сокращение наземной зоны поражения более чем на 90%) [6]. Во-вторых, устройства, формирующие завесы данного типа, довольно просты и надёжны, стоимость эксплуатации их невелика. Из недостатков следует выделить факт присутствия открытого огня в наземном линейном источнике теплоты, которая делает невозможным применение таких завес против распро-
странения горючих и взрывоопасных аварийно высвободившихся веществ.
Литература
1. Насибуллин Р.Р. Методы и средства ограничения опасных веществ при аварийных выбросах и проливах. / Насибуллин Р.Р., Галеев А.Д., Поникаров С.И. // Вестн. Казан. технол. ун.-та. - 2013. -№.4. - С.221-213.
2. Пат. 2179046 Российская Федерация, МПК7 A62B29/00. Способ активной коллективной защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ/ Обухов И.А., Майоров В.А.; заявитель и патентообладатель Пензенская государственная архитектурно-строительная академия. заявл. 08.11.00 ; опубл. 10.02.02.
3. Пат. 2255779 Российская Федерация, МПК7 A62B29/00, F24F9/00. Способ активной коллективной защиты населения от аварийно химически опасных веществ/ Обухов И.А., Майоров В.А. Добкина О.Н; заявитель и патентообладатель Пензенская государственная архитектурно-строительная академия. заявл. 15.01.04 ; опубл. 10.07.05.
4. Пат. 2232039 Российская Федерация, МПК7 A62B29/00, F24F9/00. Мобильная установка для формирования воздушной завесы для защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ/ Обухов И.А., Майоров В.А.; заявитель и патентообладатель Пензенская государственная архитектурно-строительная академия. заявл. 10.12.02 ; опубл. 10.07.04.
5. Пат. 2229908 Российская Федерация, МПК7 A62B29/00, F24F9/00. Способ формирования газовоздушной завесы для защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ/ Обухов И.А., Майоров В.А.; заявитель и патентообладатель Пензенская государственная архитектурно-строительная академия. заявл. 10.12.02 ; опубл. 10.06.04.
6. Насибуллин Р.Р. Исследование ограничивающего действия огневой завесы применительно к распространению облака хлора в атмосфере/ Насибуллин Р.Р., Га-леев А. Д., Поникаров С.И. // Вестн. Казан. технол. ун.-та. - 2013. -№.4. - С.221-213.
7. РД-03-26-2007. Методические указания по оценке последствий аварийных выбросов опасных веществ (утв. Приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 14 декабря 2007 г. №859).
© Р. Р. Насибуллин - аспирант каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, rail90ongp@yandex.ru; А. Д. Галеев - канд. техн. наук, доцент каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, galeev_ainur@mail.ru; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, профессор, зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, ponikarov_si@kstu.ru.
© R. R. Nasibouliin - graduate student of the department chemical productions machines and apparatuses of KNRTU, rail90ongp@yandex.ru; A. D. Galeev - ph.D., Associate Professor of the department chemical productions machines and apparatuses of KNRTU, galeev_ainur@mail.ru; S. I. Ponikarov - doctor of Technical Sciences, Professor, head of the department chemical productions machines and apparatuses of KNRTU, ponikarov_si@kstu.ru.
