CC BY
8
ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ) FIRE AND INDUSTRIAL SAFETY (TECHNICAL)
УДК 614.843.27
МОДЕЛИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ПРОТИВОПОЖАРНЫХ ВОДОПРОВОДОВ ПРИ НИЗКИХ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ
В. Б. БУБНОВ1, Н. Н. ЕЛИН, Д. С. РЕПИН1, И. В. ХАЗОВА1
1ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново Е-mail: kafppv@mail.ru
Разработана инженерная методика расчета теплового состояния противопожарных водоводов наземной прокладки, работающих в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха. В основу методики расчета положена нелинейная ячеечная математическая модель сложного процесса теплопроводности в составной кольцевой области водопровода с учетом всех факторов, влияющих на исследуемый процесс: наличие фазовых переходов, изменение теплофизических свойств и действие внутренних источников теплоты. В математическом описании учитывается кинетика промерзания тепловой изоляции и транспортируемой жидкости.
Методика расчета реализована в виде компьютерной программы, которая позволяет проводить расчет трех различных вариантов: в стационарном режиме, в случае аварийного отключения подачи воды и при изменении метеоусловий.
Представлены результаты расчетов, выполненные по предлагаемой методике и по методике, не учитывающей явления замерзания и оттаивания влаги в тепловой изоляции. Результаты сравнения экспериментальных данных с расчетом по предлагаемой методике показали их хорошую сходимость.
Показано, что учет частичного промерзания тепловой изоляции позволяет существенно повысить точность расчета распределения температуры в работающем водопроводе и динамики остывания воды в аварийно остановленном водопроводе.
Ключевые слова: противопожарный водовод, частичное промерзание, тепловая изоляция, температура, математическая модель, методика расчета, фазовый переход.
SIMULATION AND CALCULATION OF FIRE WATER PIPES AT LOW NEGATIVE TEMPERATURES
V. B. BUBNOV1, N. N. YELIN, D. S. REPIN1, I. V. KHAZOVA1
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo Е-mail: kafppv@mail.ru
An engineering technique has been developed for calculating the thermal state of ground-based fire-fighting water lines operating in conditions of low negative ambient temperatures. The calculation method is based on a nonlinear cellular mathematical model of a complex process of thermal conductivity in a compound annular area of a water supply system, taking into account all factors affecting the process under study: the presence of phase transitions, a change in thermophysical properties and the action of internal sources of heat. The mathematical description takes into account the freezing kinetics of thermal insulation and transported liquid.
© Бубнов В. Б., Елин Н. Н., Репин Д. С., Хазова И. В., 2020
78
The calculation method is implemented in the form of a computer program that allows the calculation of three different options: in a stationary mode, in the event of an emergency shutdown of the water supply and when the weather conditions change.
The results of calculations performed according to the proposed method and according to a method that does not take into account the phenomena of freezing and thawing of moisture in thermal insulation are presented. The results of comparing the experimental data with the calculation according to the proposed method showed their good convergence.
It is shown that taking into account the partial freezing of thermal insulation makes it possible to significantly increase the accuracy of calculating the temperature distribution in a working water supply system and the dynamics of water cooling in an emergency shutdown water supply system.
Key words: fire water conduit, partial freezing, thermal insulation, temperature, mathematical model, calculation method, phase transition.
«Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2035 года»1 являются документом стратегического планирования в сфере обеспечения национальной безопасности России и разработаны в целях защиты национальных интересов страны.
В числе основных направлений реализации государственной политики Российской Федерации в Арктике - социальное и экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации, а также развитие ее инфраструктуры; развитие науки и технологий в интересах освоения Арктики; обеспечение защиты населения и территорий Арктической зоны Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
Одной из основных задач в сфере обеспечения защиты населения и территорий Арктической зоны Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера является осуществление научно-технического, нормативно-правового и методического сопровождения деятельности по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, обеспечению пожарной безопасности и безопасности на водных объектах в арктических условиях.
При проектировании, строительстве и эксплуатации противопожарных водоводов в природно-климатических условиях Арктики необходимо учесть их особенности: надземную прокладку, возможное частичное промерзание наружного слоя теплоизоляции и, как следствие, уменьшение её термического сопротивления, быстрое замерзание воды при аварийных отключениях [1].
1
Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2035 года. Утв. Указом Президента РФ от 05.03.2020 № 164.
Существующие методы расчета данного нестационарного теплового процесса основаны на рассмотрении его как квазистационарного [1]. При этом используется балансовое уравнение, согласно которому теплота, аккумулированная в наполненном жидкостью теплоизолированном трубопроводе в диапазоне от начальной температуры до температуры замерзания, и тепло, выделяющееся при образовании слоя замерзшей жидкости, занимающего 25 % живого сечения трубопровода, приравнивается к тепловой потере за период остановки движения жидкости. Однако при этом не учитывается изменение теплофизиче-ских параметров слоя теплоизоляции в рассматриваемый период, обусловленные изменением ее температуры, а главное - при ее частичном промерзании. Метод расчета, основанный на этих допущениях, не способен учитывать изменение параметров окружающей среды, которое в Арктике может происходить достаточно быстро.
Использование математического описания фундаментальных закономерностей рассматриваемого процесса с помощью дифференциальных уравнений в частных производных возможно только при весьма далеко идущих упрощениях, часто входящих в противоречие с важными реальными особенностями моделируемого процесса [2, 3]. Например, фазовые переходы при промерзании и оттаивании влажной тепловой изоляции не позволяют рассчитывать на аналитические решения уравнения теплопроводности, описывающего тепловые процессы в поперечном сечении трубопровода. Требуются другие подходы, так или иначе связанные с численной процедурой решения.
Среди таких подходов важную роль играют ячеечные модели и связанный с ними математический аппарат теории цепей Маркова. В [4-6] разработана нелинейная ячеечная математическая модель сложного процесса теплопроводности в составной кольцевой об-
ласти с учетом фазовых переходов, изменения теплофизических свойств и действия внутренних источников теплоты, на основе которой предложено описание переходного теплового процесса в сечении трубопровода с подвижной и неподвижной жидкостью, учитывающее кинетику промерзания изоляции и самой жидкости. Выявлено влияние конструктивных и режимных факторов обогревающих элементов на кинетику этого процесса.
Инженерная методика расчета теп-ловлажностного состояния слоя тепловой изоляции трубопровода, транспортирующего воду, и стационарных и переходных режимов его эксплуатации, реализована в виде компьютер-
ной программы, вид окна «Исходные данные» которой представлен на рис. 1. Список исходных данных делится на четыре группы: «Конструкция трубопровода», «Конструкция тепловой изоляции», «Режим эксплуатации» и «Параметры наружного воздуха». Для заполнения информации по каждой из групп необходимо войти в соответствующий раздел меню.
Расчет может быть выполнен в трех вариантах: «Стационарный режим», «Отключение подачи воды» и «Изменение метеоусловий». После выбора требуемого варианта расчета появляется окно, в котором требуется заполнить перечень исходных данных для расчета.
Рис. 1. Интерфейс программы «Режим работы теплоизолированного трубопровода».
Исходные данные
Реализация варианта «Стационарный режим» позволяет рассчитать распределение температуры по толщине слоя тепловой изоляции на любом расстоянии от головных сооружений при рассчитанном ранее распределении температуры жидкости по длине трубопровода.
Расчет по варианту «Изменение метеоусловий» дает возможность прогнозировать динамику распределения температуры по толщине слоя тепловой изоляции на любом расстоянии от головных сооружений и время завершения переходного процесса.
Расчет по варианту «Отключение подачи» позволяет определить время, в течение
которого замерзнет не более 25 % воды, находящейся в трубопроводе, накопленные потери теплоты в течение заданного времени с начала останова, а также распределение температуры по толщине слоя тепловой изоляции на любом расстоянии от головных сооружений для любого заданного момента времени.
На рис. 2 представлены результаты расчета процесса остывания воды в отключенном водопроводе в зависимости от температуры наружного воздуха, выполненные по предлагаемой методике и по методике [1], не учитывающей явлений замерзания и оттаивания влаги в теплоизоляции.
Из графика видно, что температура воды в трубопроводе, рассчитанная по предлагаемой методике с учетом промерзания влаги в теплоизоляции, сначала уменьшается медленнее, чем рассчитанная по [1], а затем быстрее. Очевидно, что это связано с тем, что выделение теплоты фазового перехода (удельной теплоты замерзания) препятствует охлаждению воды на первой стадии процесса, когда происходит промерзание тепловой изоляции, а на второй стадии, когда теплоизоляция промерзла и ее теплопроводность стала меньше, чем у влажной теплоизоляции, процесс охлаждения ускоряется.
На этот же график нанесены результаты натурных замеров температуры воды на
расстоянии 512 м от выхода из насосной станции, выполненные при производстве ремонтных работ, длившихся 26 часов. Средняя температура окружающего воздуха за этот период составляла -25 оС. Результаты сравнения с расчетом по предлагаемой методике показывают хорошую сходимость.
На рис. 3 представлены результаты расчетов времени, в течение которого температура воды в отключенном трубопроводе понизится до температуры замерзания (кривая 2) и в течение которого замерзнет 25 % находящейся в нем воды по предлагаемой методике и по методике [1 ], не учитывающей процессов замерзания влаги в теплоизоляции.
t.° С 14
12
10
• *\ * % Ч \ Л
\ % \ % \ ♦ \ * \ « • • • * • * X N
• \ 1 \ 2 % % * % % * % % 1 % ч
3 % % 1 1 * % ♦ \ « * % % % « %
\ % % ь % • • < • X. И
» % % % ь V, ^ % • % % ь
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 т, час
Рис. 2. Динамика остывания жидкости в трубопроводе при его остановке
в зависимости от температуры наружного воздуха: точки - данные натурных обследований, кривые - результаты расчетов: сплошные линии - расчет по предлагаемой методике, пунктир - по методике [1]: 1 - 1н = -10 оС; 2 - 1н = -25 оС; 3 - 1н = - 47 оС
200
mf(To) tnfl (То) tnfd(To)
150
100
tnfl d (То)
50
Г § * * 1 1 / 1 1 *
1 4 * * » * в * t / 2 / ! / r / i / t / *
. * * * S ф * ш / r / / / 1 / / ' * » / »
S t S * s * 0> 1
1 -
-40
-30
-20 To
-10
Рис. 3. Зависимости времени, в течение которого водопровод может быть отключен, от температуры наружного воздуха, рассчитанные по предлагаемой методике (сплошные линии) и по методике [1] (пунктир): 1 - с учетом допустимого замерзания в нем 25 % воды;
2 - без учета замерзания
Результаты расчетов показывают, что при уменьшении температуры окружающей среды влияние уменьшения теплопроводности теплоизоляции при ее промерзании доминирует над влиянием замедления остывания воды вследствие выделения теплоты фазового перехода.
Таким образом, показано, что процессы охлаждения и промерзания тепловой изоляции
трубопровода вносят заметный вклад в тепловой баланс процесса, а учет их кинетики позволяет повысить точность теплового расчета.
Предложенная математическая модель процесса и алгоритм ее численной реализации позволяют повысить точность расчетных прогнозов теплового состояния трубопроводов при низких температурах.
Список литературы
1. Тепловая изоляция: справочник / под ред. Г. Ф. Кузнецова. 3-е изд. М.: Стройиздат, 1985. 440 с.
2. Кузнецов Г. В., Половников В. Ю. Математическое моделирование процессов тепловлагопереноса в тепловой изоляции трубопроводов // Энергосбережение и водоподго-товка. 2007. № 6. С. 37-39.
3. Самарский А. А., Вабищевич П. Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едитори-
ал УРСС, 2003. 784 с.
4. Мизонов В. Е., Елин Н. Н., Попелыш-ко А. В. Ячеечная модель теплового состояния поперечного сечения теплоизолированного трубопровода // Известия ВУЗов. Химия и химическая технология. 2013. Т. 55. Вып. 4. С. 113-115.
5. Использование электрообогрева для повышения надёжности эксплуатации противопожарных водопроводов в районах Крайнего Севера / Н. Н. Елин, В. Б. Бубнов, В. А. Комельков [и др.] // Технологии техно-
сферной безопасности. 2019. Вып. 2(84). С. 108-118. DOI: 10.25257/TTS.2019.2.84.108-118.
6. Разработка рекомендаций по повышению надежности эксплуатации наружных противопожарных водопроводов в природно-климатических условиях Арктики / В. Б. Бубнов, Д. С. Репин, И. В. Хазова [и др.] // Актуальные вопросы совершенствования инженерных систем обеспечения пожарной безопасности объектов: сборник материалов VII Всероссийской научно-практической конференции, Иваново, 21 апреля 2020 г. Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2020. С.35-38.
References
1. Teplovaya izolyatsiya: spravochnik [Thermal insulation: handbook]. Moscow: Stroyiz-dat, 1985, 440 p.
2. Kuznetsov G. V., Polovnikov V. YU. Matematicheskoye modelirovaniye protsessov teplovlagoperenosa v teplovoy izolyatsii trubo-provodov [Mathematical modeling of heat and moisture transfer processes in thermal insulation of pipelines]. Energosberezheniye i vodopodgo-tovka, 2007, issue 6, pp. 37-39.
3. Samarskiy A. A., Vabishchevich P. N. Vychislitel'naya teploperedacha [Computational heat transfer]. Moscow: Editorial URSS, 2003, 784 p.
4. Mizonov V. Ye., Yelin N. N., Popely-shko A. V. Yacheyechnaya model' teplovogo sos-toyaniya poperechnogo secheniya teploizoliro-vannogo truboprovoda [Cell model of the thermal state of the cross section of a heat-insulated pipeline]. Izvestiya VUZov. Khimiya i khimicheskaya tekhnologiya, 2013, vol. 55, issue 4, pp. 113-115.
5. Ispol'zovaniye elektroobogreva dlya povysheniya nadozhnosti ekspluatatsii pro-tivopozharnykh vodoprovodov v rayonakh Kraynego Severa [Use of electric heating to increase the reliability of operation of fire-fighting water pipelines in the Far North] / N. N. Yelin, V. B. Bubnov, V. A. Komel'kov [et al.]. Tekhnologii tekhnosfernoy bezopasnosti, 2019, Vol. 2(84), pp. 108-118. DOI: 10.25257/ TTS.2019.2.84.108-118.
6. Razrabotka rekomendatsiy po pov-ysheniyu nadezhnosti ekspluatatsii naruzhnykh protivopozharnykh vodoprovodov v prirodno-klimaticheskikh usloviyakh Arktiki [Development of recommendations for improving the reliability of operation of external fire-fighting water pipelines in the natural and climatic conditions of the Arctic] / V. B. Bubnov, D. S. Repin, I. V. Khazova [et al.]. Aktual'nyye voprosy sovershenstvovaniya inzhe-nernykh sistem obespecheniya pozharnoy bezopasnosti ob"yektov: sbornik materialov VII Vse-rossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Ivanovo: FGBOU VO Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya GPS MCHS Rossii, 2020, pp. 35-38.
Бубнов Владимир Борисович
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: kafppv@mail.ru
Bubnov Vladimir Borisovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of technical sciences, associate professor
E-mail: kafppv@mail.ru
Елин Николай Николаевич
доктор технических наук, профессор
E-mail: kafppv@mail.ru
Yelin Nikolay Nikolaevich
Doctor of technical sciences, professor
E-mail: kafppv@mail.ru
Репин Денис Сергеевич
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
преподаватель
E-mail: denisrep@mail.ru Repin Denis Sergeevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo teacher
E-mail: denisrep@mail.ru Хазова Ирина Викторовна
ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
обучающийся по программе магистратуры
E-mail: kafppv@mail.ru
Khazova Irina Viktorovna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
graduate student
E-mail: kafppv@mail.ru
