Исследование возможности предотвращения пожаровзрывоопасности дизель-генераторов транспортного назначения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Таким образом, расчёт среднеобъёмной температуры в помещении очага пожара по формуле (12), в ряде частных случаев, которые характеризуются большими значениями массовой скорости выгорания горючего материала, будет сопровождаться существенной погрешностью. Следует отметить, что такое завышение «работает в запас», так как уменьшает критическую продолжительность пожара по температуре и, следовательно, ужесточает требования пожарной безопасности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кошмаров Ю А. Прогнозирование опасных факторов пожара в помещении: Учебное пособие. -М.: Академия ГПС МВД России, 2000. - 118 с.

2. Лапшин С. С., Тараканов Д. В. Обобщённое решение системы уравнений начальной стадии пожара в помещении // Вестник Ивановского института ГПС МЧС России. - 2008. - № 1. - С. 25-28.

УДК 614.841

Ю. А. Поляков

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры физики Академии ГПС МЧС России

С. А. Дегтярёв

кандидат технических наук, адъюнкт Академии ГПС МЧС России Yu. Polyakov, S. Degtyaryov

ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ ТРАНСПОРТНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

В работе представлены результаты разработки и использования быстродействующих тонкоплёночных термопреобразователей в качестве пожарных извещателей в системах автоматической пожароврывобезо-пасности тепловозных дизель-генераторов. Эксперименты на натурных объектах подтвердили реальную возможность оперативного применения тонкоплёночных сигнализаторов аварийной ситуации в картерах дизелей магистральных локомотивов.

Ключевые слова: пожаровзрывобезопасность дизелей, тонкопленочные термосенсоры.

RESEARCH OF PREVENTION POSSIBILITY OF FIRE FOR LOCOMOTIVE DIESEL ENGINES-GENERATORS

The results of the development and use of thin-film termoconverters as fire detectors in the systems of automatic fire and explosion safety of locomotive diesel engines-generators are observed. Experiments on full-scale installations have confirmed the real possibility of operational use of thin-film emergency detectors in sumps of diesel main engines.

Keywords: fire and explosion safety of diesel main engines, thin-film emergency detectors.

Среди факторов, обеспечивающих безопасное движение на железнодорожном транспорте, весьма важную роль играет пожаровзрывобезопасность. Анализ существующих систем пожарной сигнализации показывает, что в целях повышения надёжности и быстродействия необходимы качественно новые сигнализаторы аварийных ситуаций. Так, например, одним из главных источников аварий, взрывов и пожаров является дизель; он несёт в себе основную ценность тепловоза, поэтому для него необходима специальная автоматическая подсистема сверхраннего обнаружения и предупреждения о нарушении штатного режима его функционирования.

Наличие в картере двигателя большого количества смазочного масла и масляных паров, прорывающихся из камеры сгорания разогретых до высоких температур газов и поступающего через неплотности корпуса картера воздуха, в случае попадания в картер открытого пламени из камеры сгорания при прогарах и трещинах в поршне, создаёт реальную опасность возникновения взрыва или пожара.

Пожарный сигнализатор системы автоматического пожаротушения тепловозных дизелей с использованием дифференциального манометра с электроконтактной системой, реагирующей на повышение давления в картере вследствие прорыва газов, к сожалению, не является надёжным. Недостатком этих систем автоматической защиты является их большая инерционность, способность реагировать только на большие трещины, поэтому они не всегда успевают предотвратить возникающий пожар в картере. Основная причина - несвоевременное оповещение об аварии или запоздалое отключение двигателя.

Наиболее целесообразным и эффективным способом обнаружения начинающегося возгорания на тепловозном дизель-генераторе можно считать получение практически «мгновенной» информации о повышении температуры в объёме картера дизеля в момент появления первой (даже малой) прогарной трещины. Анализ явлений, развивающихся в картере дизель-генератора в период прорыва газов из камеры сгорания, вследствие скоротечного протекания процесса, позволил дать возможность использовать импульс температуры, образующийся при этом, в качестве первичного элемента информации, воздействующего на чувствительный элемент (ЧЭ), выполненного в виде тонкоплёночного термометра сопротивления, функционирующего в режиме ожидания. При прохождении фронта горючих газов мимо этого микротермосенсора, температура последнего быстро возрастает, образуя импульс тока, который регистрируется и преобразуется в командный сигнал для включения противоаварийных систем пожаротушения или отключения топливного насоса и остановки дизеля.

Таким образом, была сделана попытка применить платиновый тонкоплёночный термосенсор с быстродействием менее микросекунды [1, 2, 3] в качестве первичного сигнализатора

о начале аномального развития процесса в картере дизеля. Для исключения гальванического контакта с рабочим телом, а также в целях обеспечения механической прочности на чувствительную плёнку толщиной менее десятой доли микрона было нанесено диэлектрическое тонкое покрытие из диоксида кремния толщиной порядка 0,2 мкм при соответствующей термообработке.

Как известно, одним из основных условий эффективности работы системы пожарной сигнализации (ПС) является быстродействие первичного индикатора, в нашем случае ЧЭ, покрытого тонкой изоляцией, которая, естественно, снижает динамические качества термодатчика в целом.

В работе выполнен анализ амплитудно-фазовых частотных характеристик тонкоплёночного термосенсора с тонкой изоляцией на основе метода передаточных функций. Учитывая различие в теплофизических свойствах металлической плёнки (чувствительного элемента) и диэлектрического покрытия, а также тот факт, что толщина покрытия значительно больше толщины ЧЭ, трёхслойную тепловую модель термопреобразователя (ТП) можно свести к двухслойной (рис. 1). При этом платиновый ЧЭ будет фиксировать нестационарную температуру контакта покрытия (пластины) и подложки (полуограниченного стержня). При этом плёночный ТП будем рассматривать как преобразователь входной функции (тепловое воздействие) в выходную функцию (температура плёнки).

Я

0 I

>

х

Рис. 1. Двухслойная тепловая модель термопреобразователя:

1 - чувствительный элемент (платиновая плёнка толщиной 0,06 мкм); 2- подложка (стекло БД-1); 3- покрытие (плёнка диоксида кремния толщиной 0,2 мкм); я-тепловой поток; 4, 4-температуры поверхности покрытия и ЧЭ; I - толщина покрытия

Для тепловой системы, состоящей из покрытия, плёнки и подложки, передаточная функция будет являться отношением преобразованной температуры контакта (плёнки) к внешнему преобразованному тепловому воздействию.

При анализе теплоёмкостью плёнки пренебрегаем [4]. Примем независимость тепловых свойств материалов от температуры. При решении начальную температуру условно принимаем за нулевую.

Пусть на систему при т > 0 действует поток энергии фт). Из решения уравнения нестационарной теплопроводности для покрытия и подложки преобразованная температура плёнки в контакте имеет вид:

где /- толщина покрытия; 5- переменная преобразования Лапласа; е. - коэффициент теплоус-воения материала подложки; ат - коэффициент температуропроводности материала покрытия; 2 = е// ет - отношение коэффициентов теплоусвоения материалов подложки и покрытия; ф) - преобразованный по Лапласу тепловой поток ф). Величина в квадратных скобках уравнения (1) обозначается как У Это - передаточная функция, связывающая изображение температуры ТП с изображением теплового потока.

Известно [5], что изображение температуры поверхности полупространства при отсутствии изоляции и пренебрежении тонкой чувствительной плёнки представляется (при х= 0) в виде:

(1)

П0,5) = (8,л/7)-1я(.?),

(2)

где (в. 77) 1 = у передаточная функция, связывающая изображение температуры поверхности с изображением функции ф

Исследуем функцию искажения, определяемую как

ch^LVJ +—sh—14s a z Ja

Л

(3)

~т у

Разлагая гиперболические функции в ряд по малому параметру (/ и пренебрегая величинами второго порядка малости, получим;

Y =

1

1 Г 1 yjs +-----------------s

2a

где b =

Так как исследуемая система линейна, то заменим 5 на Ь. Следовательно,

У (/о) = (1 + Ь4/ + сИо)],

1 = — = Тт7 (размерность времени);

¿лК в/

/2 !—

— = —; Я = — - термическое сопротивление покрытия;

2а 2 /

X

с = —у/ - теплоёмкость покрытия; / = 4-1; о - циклическая частота. После преобразований имеем:

Y(io) =

1 + Гл/2 ' о ь4> - i "iVT о bV>+dco

V 2 У _v 2 , )

1 + г42 ] ь4> 2 |-+ b4> + do

V 2 J 2 J

Частотные характеристики функции К&>)определяются как

А(ш) = mod Y('co) = (V1+72W>+bo+72bd0iW>+"d

^2

ф(ш) = arg Y (io) = arctg

1

i + 42 i+42b4>

ь40 2

Введём обобщённую частоту, О = то, где о = 2п / 7. Тогда

Л(У) = 1 + л/2У + У + Z2 у+Z4 У

(4)

(5)

(6)

(7)

ф(О) = аг—д

1

1 + АГ2

1 +

л/о,

/ у

(8)

Анализ зависимостей (7) и (8) показывает, что в области ¿> 1 имеет место существенное влияние покрытия на передаточную функцию ТП (рис. 2). Видно, что с увеличением О и ¿ампли-тудные и фазовые искажения воспроизводимого ТП с покрытием импульса заметно увеличиваются по сравнению с показаниями ТП без покрытия. Рабочей допустимой зоной является область, когда А < 0,9 и ф < 5°, при этом предельная частота О « 10-2.

ф, град. - 20

- 40

- 60 - 80

Рис. 2. Амплитудно-фазовые частотные характеристики О функции у(/о): 1- ¿= 0; 2- 0,5; 3-2; 4- 10

----------ф,----------------а

Анализ показал, что наличие тонкой изоляции толщиной 0,2-0,5 мкм существенно не ухудшает динамические качества ТП. В диапазоне частот до 10 кГц и даже более ТП может служить оперативным сигнализатором аварийного и детонационного режимов в быстроходных двигателях.

Оценим время прогрева тонкого покрытия при действии теплового потока в виде ступенчатой функции, начиная с т > 0. Решение тепловой задачи приводится в [6]. Там показано, что при малых толщинах покрытия, а следовательно, при больших критериях Ро, разложение функции

Ыс В в ряд по малому параметру (п +1) даёт возможность упростить соотношение для отно-

2л/Ро

шения температуры приёмной поверхности к температуре контакта покрытия и подложки (т. е. к температуре плёнки), в результате чего

0 = Ш=Г 1+~11

' т(от) [_2^/^'

На рис. 3 представлена функция 0/ для различных 2. Можно получить предельное значение критерия Фурье, обеспечение которого позволит добиться очень малого времени прогрева покрытия.

Рис. 3. Теоретическая зависимость функции 0/ от критерия Ро:

1- 2= 1,5; 2- 2,0; 3- 4; 4- 8,07

В качестве примера рассмотрим изоляцию из диоксида кремния толщиной 0,3 мкм в виде покрытия для ТП, имеющего стеклянную подложку. Измерения теплофизических свойств тонкого слоя покрытия показали, что 2= е,- / ет « 1,5 [7]. Для обеспечения 0/ = 0,9 необходима величина Ро = 157. При этом время прогрева тпр = 6 мкс.

На основании теоретических выкладок была создана конструкция термопреобразователя, представленная на рис. 4.

Рис. 4. Конструкция плёночного термосенсора в корпусах термопар

Оценка теплового запаздывания проводилась на импульсной установке; вспышка инфракрасной лампы одновременно регистрировалась фотоэлектронным умножителем ФЭУ-62 и термосенсором с тонкой изоляцией из диоксида кремния, причём исследованию подвергались датчики с различной толщиной покрытия. Регистрация осуществлялась на двухлучевом осциллографе С1-51.

После сравнения импульсов по максимальному значению строилась зависимость времени теплового запаздывания от толщины покрытия (рис. 5). Видно, что инерционность воспроизведения импульсов при толщинах покрытия порядка 0,2-0,3 мкм не превышает 3-4 мкс.

Целью проведения экспериментальных исследований была оценка возможности применения разработанных тонкоплёночных термосенсоров с тонким диэлектрическим покрытием в качестве быстрореагирующих первичных сигнализаторов прорыва газов в картер двигателя и проверка их работоспособности по аварийной остановке дизель-генератора. Эксперименты проводились на экспериментальном стенде Харьковского завода транспортного машиностроения им. Малышева, на постах диагностики депо г. Харькова.

Для проведения исследований использовались двухсекционные магистральные локомотивы с электрической передачей 2ТЭ10В с дизель-генератором марки 10Д100, оборудованные аварийной системой остановки дизеля при повышении давления масляных паров в картере.

Рис. 5. График зависимости времени теплового запаздывания реакции ТП

от толщины покрытия

Была разработана методика эксперимента с моделированием аварийной ситуации в картере и временно'й записью всех основных параметров в целях ранней диагностики аномального развития процесса в период нарушения штатного режима функционирования энергоагрегата.

В опытах использован поршень с отверстиями ш = 5 мм для осуществления процесса прорыва газов из камеры сгорания; таким образом имитировались прогар поршня или появление в нём трещины. Поршень устанавливался во втором цилиндре дизель-генератора со стороны нижнего коленчатого вала. На время запуска дизеля и прогрева двигателя в течение 30 мин (для

обеспечения необходимых для нормальной работы температуры и разрежения в картере) топливные насосы второго цилиндра отключались с помощью механизма управления электропневмати-ческими вентилями топливных насосов.

Тонкоплёночный извещатель устанавливался в корпус термопары, для прочности крепился эпоксидной смолой, контактные провода укладывались в керамические изоляторы. Корпус с датчиком крепился в отверстии смотрового люка и место установки уплотнялось, чтобы не нарушить герметичность картера.

Аварийная ситуация создавалась включением топливных насосов второго цилиндра и прорывом газов из камеры сгорания в картер дизеля. Регистрация термограмм осуществлялась осциллографом Н-700 с помощью мостовой схемы. Скорость движения фотоплёнки составляла 500 м/с с отметками через 0,02 с.

вмт

1 ! т

1 1

й 1 К

№ - І- 'V

1

Рис. 6. Типичная термограмма регистрации процесса прорыва газов в картер (ВМТ - отметка верхней мёртвой точки)

Термограмма на рис. 6 иллюстрирует картину аварийного процесса прорыва газов в картер дизеля. При этом температура ЧЭ очень быстро (за « 10 мкс) возрастает на несколько десятков градусов, образуя импульс напряжения, по которому можно судить о прохождении мимо термосенсора фронта горячих газов. Следующий оборот коленчатого вала вызывает повторный импульс быстродействующего сигнализатора.

Спектральная структура сигнала подтверждает высокие динамические качества плёночного сигнализатора.

многочисленные опыты показали мгновенную реакцию ТП и их безотказную работу во время регистрации аварийных процессов. При выполнении сравнительных измерений времени срабатывания тонкоплёночных термосенсоров и дифференциального манометра было выявлено, что инерционность последнего составляет 4-5 с, не считая инерционность реле управления РУ7. Работа дизеля с трещиной в поршне в течение этого времени может привести к воспламенению взрывоопасной смеси паров масла и газов с воздухом, взрыву или пожару в картере.

Предложена схема безынерционного аварийного автоматического отключения топливных насосов и остановки дизель-генератора (рис. 7). На основе малоинерционного сигнализатора была модифицирована система автоматического отключения топливного насоса при прорыве газов в картер дизель-генератора, что резко повысило взрывобезопасность двигателей. Система была внедрена на ХМЗ им. Малышева.

Рис. 7. Принципиальная схема автоматической пожарной защиты картера дизель-генератора

с тонкоплёночным сигнализатором: 1 - источник питания; 2- тонкоплёночный термосенсор;

3- импульсный усилитель; 4- усилитель формирователь; 5- электронная схема остановки дизеля; 6- электродвигатель топливных насосов; 7- топливные насосы

Можно сделать вывод, что тонкоплёночные сенсоры, функционирующие на различных физических принципах, способны надёжно идентифицировать факт сверхраннего обнаружения по-жаровзрывоопасности в объектах топливно-энергетического комплекса [8].

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Поляков Ю А, Митькина Е А. Тонкоплёночный термометр сопротивления // Приборы и техника эксперимента. 1961. - № 4. - С. 140-144.

2. Поляков Ю А, Импульсный датчик для измерения теплообмена в ионизированном потоке газа // Теплофизика высоких температур. 1965. - № 5. - С. 752-757.

3. Поляков Ю А, Методика измерения теплообмена в кратковременных процессах // Измерительная техника. 1969. - № 10. - С. 101-104.

4. Поляков Ю А, Дегтярев С. А, Иванов А. Е Плёночный термопреобразователь импульсных потоков энергии // Известия АН СССР, Энергетика и транспорт. 1982. - № 3. - С. 131-136.

5. Ярышев Н А. Теоретические основы измерения нестационарных температур. - М.: Энергия, 1967. - 298 с.

6. Поляков Ю А, Дегтярёв С. А, Клыгин А. В Анализ температурных характеристик плёночных термопреобразователей тепловых потоков // Теплофизика высоких температур. 1982. - № 6. - С. 1169-1175.

7. Поляков Ю А, Сафронов В. И. К вопросу определения теплофизических свойств тонкоплёночных покрытий и изоляций // Теплофизика высоких температур. 1978. - № 5. - С. 981-986.

8. Поляков Ю. А. Некоторые аспекты синтеза и реализуемости сенсоров раннего обнаружения по-жаровзрывоопасности // Материалы 16-й науч.-техн. конф. «Системы безопасности» - СБ-2007. - М.: Академия ГПС МЧС России, 2007. - С. 118-120.

УДК 621.316.826

Ю. А. Поляков

доктор технических наук, профессор

Yu. Polyakov

РАННЯЯ ДИАГНОСТИКА ПОЖАРОВЗРЫВООПАСНОСТИ НА ОСНОВЕ МИКРОЭЛЕКТРОННЫХ СЕНСОРОВ

Предложен метод ранней диагностики пожаровзрывоопасности на основе разработанных и оптимизированных газодымовых сенсоров. Представлены результаты исследований их электрофизических и динамических характеристик. Опыты по натеканию дымовых газов и аэрозолей малой концентрации показали эффективность применения сенсорного инструментария для раннего обнаружения аномальной ситуации в энергообъектах.

Ключевые слова: газодымовые сенсоры, безопасность электрооборудования.