CC BY
15
определенность в данных. Иркутск : Облин- зависимостей // Управляющие системы и ма-формпечать, 1996. 320 с. шины. 1992. № 2-4. С. 111.
12.Носков С.И., Потороченко Н.А. Диалоговая система реализации «конкурса» регрессионных
УДК 614.842.6 Руденко Михаил Георгиевич,
д. т. н., доцент, Ангарский государственный технический университет, тел. (3952) 31-13-65, e-mail: mg-rud@mail.ru Щербаков Иван Сергеевич, к. т. н., доцент, Восточно-Сибирский институт МВД России, тел. (3952) 46-65-01, e-mail: ivan_7@mail.ru
МЕХАНИЗМЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СТРУИ ПЕРЕОХЛАЖДЕННОГО ВОДЯНОГО ПАРА С РАЗЛИЧНЫМИ ОЧАГАМИ ГОРЕНИЯ, ВОЗМОЖНЫМИ В ЗОНЕ ОТВЕТСТВЕННОСТИ
ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ
M. G. Rudenko, I. S. Shcherbakov
MECHANISMS OF INTERACTION OF THE JET SUPERCOOLED WATER VAPOR WITH VARIOUS HEAT SOURCES POSSIBLE IN THE AREA OF RESPONSIBILITY
OF THE RAILWAY
Аннотация. В статье приводятся результаты экспериментов по выявлению особенностей взаимодействия термодинамически неравновесного, переохлажденного водяного пара с пламенем при различных методах подачи горючего газа, зависящих и от характеристик исходного материала и, от процессов, сопровождающих генерацию горючего газа.
Исследования проводились для трех вариантов подачи горючего газа: диффузионное горение с подачей горючих газов за счет испарения от поверхности горючей жидкости, при отсутствии химических превращений; диффузионное горение, происходящее в результате пиролиза твердого материала; комбинация диффузионного горения с гетерогенным горением.
Выявлено, что основной механизм тушения струей переохлажденного водяного пара может изменяться в зависимости от характеристик очага горения. Вместе с тем струя переохлажденного водяного пара является эффективным средством для ликвидации пламенного вида горения, но недостаточно эффективным средством для борьбы с гетерогенным горением.
Полученные результаты позволяют постулировать особенности взаимодействия струи переохлажденного водяного пара с различными очагами горения.
Ключевые слова: лесной пожар, степной пожар, тушение, водяной пар, турбулентная струя, переохлажденная среда, термодинамическое равновесие.
Abstract. The article presents the results of experiments on revealing the peculiarities of the interaction of thermodynamically nonequilibrium, supercooled water vapor with flame using various methods of supplying a combustible gas, which depend on the characteristics of the source material and the processes accompanying generation of combustible gas.
The research was carried out for three variants of fuel gas supply: diffusion combustion with the flow of combustible gases due to evaporation from the surface of the flammable liquid, in the absence of chemical reactions; diffusion combustion, resulting from pyroly-sis of the solid material; the combination of diffusion combustion heterogeneous combustion.
It is revealed that the main mechanism of quenching of a jet of water vapour can vary depending on the characteristics of burning. However, a jet of supercooled water vapor is an effective tool for the elimination of the flaming type of combustion, but not enough effective means to combat the heterogeneous combustion.
The obtained results allow us to postulate the interaction of the jet of water vapour with various heat sources.
Keywords: forest fire, prairie fire, firefighting, water vapor, turbulent jet, supercooled environment, thermodynamic equilibrium.
Введение
Обеспечение бесперебойного графика движения подвижного состава подразумевает, в том числе, и проведение противопожарных мероприятий в зоне ответственности железных дорог. Анализ существующих методов и устройств тушения природных пожаров позволил разработать новый способ тушения - струей переохлажденного водяного пара [1]. В ранее опубликованной работе [2] приведены результаты качественных экспериментов по выявлению особенностей взаимодействия переохлажденного водяного пара с факелами пламени, образуемыми при дозированной механической подаче горючего газа. В данной работе рас-
смотрены особенности взаимодействия переохлажденного пара с пламенем при «естественном» горении, когда количество и состав газа зависят и от исходного материала и от процессов, сопровождающих генерацию горючего газа.
При постановке экспериментов использовали струю переохлажденного водяного пара с характеристиками, опубликованными в [3].
Исследования проводились для трех вариантов подачи горючего газа:
• диффузионное горение с подачей горючих газов за счет испарения от поверхности горючей жидкости при отсутствии химических превращений;
• диффузионное горение, происходящее в результате пиролиза твердого материала;
• комбинация диффузионного горения с гетерогенным горением.
Некоторые особенности методики проведения экспериментов и основные результаты качественных наблюдений приведены далее. Во всех случаях, расчеты значимости механизмов тушения проводились по стандартным методикам [4, 5, 6]. Диффузионное горение с подачей горючих газов за счет испарения от поверхности горючей жидкости при отсутствии химических превращений В данном случае интенсивность горения определяется скоростью смешения паров с кислородом воздуха и интенсивностью испарения с поверхности жидкой фазы. Процесс испарения определяется температурой верхнего слоя бензина, нагреваемого излучением от факела пламени [7].
Отметим, что испарение происходит без химических превращений, но сопровождается фазовым переходом горючего вещества из жидкого состояния в газообразное.
При проведении экспериментов бензин наливали в открытую емкость площадью 1 м2 и поджигали. Для прогрева верхних слоев делали выдержку в течение примерно 60 с, после которой на пламя воздействовали переохлажденным паром.
В случае подачи пара на часть испаряющейся поверхности наблюдалось пламенное горение в области, не подвергнутой действию струи пара, и ликвидация горения в области струи пара.
В качестве иллюстрации приводим фотографии, полученные во время проведения демонстрационного эксперимента (поверхность горения 0,35^0,3 м). На рис. 1 показана исходная поверхность горения, 2 - та же поверхность с частичным воздействием струи пара.
Рис. 1
Рис. 2
Выявлена возможность разделения очага горения на две области, которую можно объяснить двумя причинами:
• во-первых, сама струя пара является тепловым экраном, препятствующим теплообмену между зоной горения и парами бензина, выделяющимися с поверхности потушенной области;
• во-вторых, динамическое воздействие на пары бензина приводит к их уносу из зоны испарения.
Как следствие, возможно создание устойчивого экрана, изолирующего зону горения от поверхности бензина в потушенной области.
Таким образом, в дополнение к выявленным ранее механизмам тушения [2] следует добавить сдув горючих газов с уносом их от зоны горения, а также экранирование зоны горения.
Тушение за счет охлаждения горючего материала оказалось невозможным по причине высокой испаряемости бензина при температуре струи пара.
Тушение за счет изоляции горючих газов (паров) от кислорода окружающего воздуха возможно.
Тушение за счет охлаждения факела пламени требует 4,4 кг/кг (килограмма переохлажденно-
Транспорт
го пара на килограмм горючего газа, выделяющегося из очага горения).
Снижение концентрации горючих газов (паров) до нижнего предела воспламеняемости требует 15,9 кг/кг.
Диффузионное горение, происходящее в результате пиролиза твердого материала
В качестве характерной особенности данного этапа можно отметить, что горючий газ образуется вследствие термической деструкции полимерных цепочек, имеющих достаточно большую молекулярную массу. Как и в предыдущем случае, интенсивность образования горючего газа зависит от температуры материала.
Отметим также, что поверхность, выделяющая продукты пиролиза, увеличивается незначительно.
В качестве горючего материала использованы образцы из вулканизированной резины.
При проведении экспериментов образцы раскладывали на твердой поверхности, опрыскивали тонкораспыленным бензином и поджигали. Свободное горение продолжалось примерно 150 секунд. Этого времени было достаточно для полного испарения бензина и прогрева верхнего слоя материала.
После прекращения пламенного горения и отвода струи пара в сторону от очага горения повторное воспламенение не отмечалось.
После прекращения тушения было отмечено увлажнение образцов за счет конденсации переохлажденного водяного пара на остывающем горючем материале.
Таким образом, тушение за счет:
• охлаждения и увлажнения горючего материала - возможно;
• изоляции горючих газов (паров) от кислорода окружающего воздуха - возможно.
Тушение по признаку охлаждения факела пламени требует 3,3 кг/кг.
Тушение по признаку снижения концентрации горючих газов требует 13,9 кг/кг.
Комбинация диффузионного горения с гетерогенным горением Оба вида горения происходят в результате пиролиза древесины, но гетерогенное горение развивается в порах древесины, образующихся при ее пиролизе. Особенностью гетерогенного горения является возможность горения с минимальным доступом кислорода воздуха. Более того, внутри каждой клетки древесины имеются и горючее, и окислитель в количествах, необходимых для горения [8].
Воздействие струей пара на очаг горения приводило к ликвидации пламенного горения по ранее рассмотренным механизмам.
Ликвидация очага горения оказалась возможной только при пиролизе с поверхности древесины - при отсутствии гетерогенного горения.
Если перед началом тушения успевало развиться гетерогенное горение, то после увода струи пара в сторону происходило возобновление пламенного горения. Ликвидация гетерогенного горения была возможна в случае продолжительного воздействия на угли (более 15 мин).
Для оценки возможности тушения по механизму охлаждения горючего материала, решена задача нестационарной теплопроводности в следующей постановке, соответствующей методике проведения эксперимента.
Изотропное тело имеет равномерное поле
температуры Т0 . В начальный момент времени (^) температура на поверхности тела скачком повышается до значения (Т) ), что приводит к изменению температуры внутри тела. В момент времени г+ , температура на поверхности скачком понижается до значения Т) . Требуется найти распределение температур в различные моменты времени.
Результаты решения приведены на рис. 3, где Т - распределение температур через 300 секунд после поджога (перед началом тушения) Т1 -через 5 с. после начала тушения; Т2 - через 15 с.; Т3 - через 30 с; ё - температура начала пиролиза; координата х = 1 соответствует полутолщине слоя материала.
Т1,
Т2,
А
+ + ч
1
0.3
Об
04
0.2
с\ г" \ 1 У
' * X
■ ' * * 1 * V
1
0
А
0.2
04 Рис. 3
06
0.3
Таким образом, даже при охлаждении поверхности до температуры струи переохлажденного пара в древесине имеются слои, в которых продолжается пиролиз.
Особенностью пиролиза древесины является увеличение как количества, так и размеров образующихся пор. Продукты гетерогенного горения создают потоки высокотемпературного газа, выделяющегося из этих пор, что не позволяет потоку пара охладить древесину в глубине слоя. При отводе струи пара в сторону происходит возобновление пламенного горения как результат поджога продуктов пиролиза теплом гетерогенного горения.
Как следствие, область применения нового метода тушения должна быть ограничена воздействием на переднюю кромку пожара (зоны пиролиза и горения). Воздействие на зону догорания будет неэффективным.
Таким образом, тушение за сче:
• охлаждения и увлажнения горючего материала - невозможно;
• изоляции горючих газов (паров) от кислорода окружающего воздуха - возможно при отсутствии гетерогенного горения;
• изоляции горючих газов (паров) от кислорода окружающего воздуха - недостаточно эффективно при развитии гетерогенного горения.
Тушение по признаку охлаждения факела пламени требует 1,9 кг/кг (при отсутствии гетерогенного горения).
Тушение по признаку снижения концентрации горючих газов требует 6,3 кг/кг (при отсутствии гетерогенного горения).
Выводы
1. Взаимодействие струи переохлажденного водяного пара с очагами горения может происходить по различным механизмам тушения.
2. Основной механизм тушения струей переохлажденного водяного пара может изменяться в зависимости от характеристик очага горения.
3. Струя переохлажденного водяного пара является эффективным средством для ликвидации пламенного вида горения, но недостаточно эффективно для борьбы с гетерогенным горением.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. 2216367 Рос. Федерация. Способ тушения пожара / Руденко М.Г., Щербаков И.С., Гришин
A.М. ; Восточ.-Сибир. ин-т МВД России. № 2002102296/12 ; заявл. 25.01.02 ; опубл. 27.06.03.
2. Руденко М.Г., Щербаков И.С. Особенности взаимодействия переохлажденного водяного пара с открытым пламенем // Вестник Алтайс. гос. аграр. ун-та. 2014. № 7. (117). С. 106-109.
3. Руденко М.Г., Щербаков И.С. Некоторые особенности струи термодинамически неравновесного водяного пара // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2014. №3 (43). С. 84-87.
4. Процессы горения / И.М. Абдурагимов и др. М., 1984. 268 с.
5. Пожарная безопасность. Взрывобезопасность / А Н. Баратов и др. М. : Химия, 1987. С. 129.
6. Абдурагимов И.М., Говоров В.Ю., Макаров
B.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров. М., 1980. 255 с.
7. Основы пожарной теплофизики / М.П. Башкирцев и др. М. : Стройиздат, 1984. 194 с.
8. Гришин А.М. Математическое моделирование лесных пожаров и новые способы борьбы с ними. Новосибирск : Наука, 1992. 402 с.
УДК 656.212 Сивицкий Дмитрий Андреевич,
аспирант, кафедра «Железнодорожные станции и узлы», Сибирский государственный университет путей сообщения, Новосибирск,
e-mail: sillvansmmm@gmail.com
МОДЕЛИРОВАНИЕ МАНЕВРОВЫХ ПЕРЕДВИЖЕНИЙ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ ЗАТРАТ ВРЕМЕНИ НА ПЕРЕСТАНОВКУ ВАГОНОВ ПРИ ПОВТОРНОЙ СОРТИРОВКЕ
D. A Sivitsky
USING THE SIMULATION METHOD FOR DEFINING THE TIME SPENT ON CAR PERMUTATION DURING RE-CLASSIFICATION
Аннотация. В работе рассмотрена проблема увеличения объемов повторной сортировки. В качестве решения предложено использовать сортировочное устройство модульного типа (горку малой мощности) с использованием интенсивных методов формирования состава. Для определения перерабатывающей способности данного устройства был осуществлен анализ различных вариантов определения времени на полурейс через горб горки. Наиболее приближенным к действительности является метод тяговых расчетов с подробным профилем горки. Результаты, полученные по более простым вариантам расчета, могут существенно отличаться, при этом отличие становится тем значительнее, чем больше масса маневрового состава. С целью практического применения была разработана многофакторная регрессионная модель, позволяющая определить время
