CC BY
68
УДК 504.3.054:629
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ НЕСИММЕТРИЧНОГО ДИМЕТИЛГИДРАЗИНА В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ
А.Е. Долотов, Г.В. Кузнецов, Т.Н. Немова*
Томский политехнический университет E-mail: dol67@mail.ru *Томский государственный архитектурно-строительный университет E-mail: elf@tpu.ru
Смоделирован процесс испарения под действием конвекции и излучения от Солнца несимметричного диметилгидразина при движении его капель к поверхности Земли после разгерметизации топливных баков ракет-носителей на высотах до 40 км. Показано, что только капли с характерным размером до 16 мм могут достигать Земли.
Ключевые слова:
Процесс испарения, конвекция, несимметричный диметилгидразин.
Введение
Для оценки фазового состояния несимметричного диметилгидразина (НДМГ) поступающего к поверхности Земли из отделяющихся первых ступеней жидкостных ракет-носителей [1, 2] предложены математические модели теплового состояния [3] и испарения [4] капель НДМГ при их движении под действием силы тяжести в приземной атмосфере. Сформулированные ранее [3, 4] подходы не учитывали ряд значимых факторов (солнечное излучение и специфику процесса испарения НДМГ). Так, в [4] анализ процесса испарения капель НДМГ в атмосфере Земли проводился в предположении о зависимости скорости испарения этого вещества только от величины теплового потока в зону испарения.
Целью данной работы является дальнейшее развитие модели [4] и численное моделирование процесса испарения НДМГ с более полным учетом особенностей процесса тепломассопереноса на поверхности движущейся в приземных слоях атмосферы капли.
Постановка задачи
Математическая модель исследуемого процесса представляла собой систему уравнений [4] с соответствующими краевыми и начальными условиями для уравнения теплопроводности и уравнения движения капли. Модель [4] была дополнена выражением для скорости испарения [5]:
Wen = A(PsN - Рв )
M
2nRT
где р^ - равновесное давление НДМГ при температуре поверхности капли, рв - эквивалентное давление пара при температуре поверхности, М - молярная масса НДМГ, В - универсальная газовая постоянная, А - коэффициент аккомодации, Т -температура.
Граничные условия на поверхности капли были дополнены слагаемыми, учитывающими солнечное излучение:
r = R„
a(Тв -T)- w в + S-ет[T4- T 41 = l(T)
v В uen uen L B J v
T
dr '
где ВП - внешний радиус капли; а - коэффициент теплоотдачи; ТВ - температура воздуха; мисп, 0исп -скорость и теплота испарения НДМГ, £ - плотность потока солнечного излучения, е - степень черноты, а — постоянная Стефана-Больцмана, А(Т) - теплопроводность НДМГ.
Задача в такой постановке решена методом конечных разностей [5].
Результаты и их обсуждение
Исходные данные по состоянию атмосферы и НДМГ соответствуют [6, 7].
Численный анализ проведен для капель НДМГ в форме сферы диаметром 1 и 2 мм. Типичные результаты численных исследований приведены на рис. 1-4 в виде зависимостей радиуса капли, скорости испарения, скорости движения капли и температуры поверхности жидкости от времени.
Рис. 1. Зависимость радиусов капель НДМГ от времени при начальных радиусах, мм: 1) 1; 2) 2
Хорошо видно, что переход к численному анализу на базе более полной модели, учитывающей ре-
альные особенности исследуемого процесса, приводят к существенному уточнению полученных ранее результатов [4]. Так, время существования капли НДМГ в воздушной атмосфере на больших высотах составляет около 30 с для капли диаметром 1 мм и менее 72 с для капли диаметром 2 мм. За это время капли успевают пролететь до высоты 39,3 км для капли меньших размеров и 37,5 км для капли диаметром 2 мм. Можно сделать вывод, что капли НДМГ типичных размеров испаряются задолго до попадания в нижние слои атмосферы. Предельный размер капли, которая может достигнуть поверхности Земли, составляет 16 мм. Т. е. высказанное еще в [3] предположение о том, что НДМГ может в парообразном состоянии распространяться на многие сотни км от места разделения первых ступеней ракет-носителей, подтверждается результатами выполненных теоретических исследований.
0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0
1
2
-и У J
20
40
60
£
2Э0
280
270
260
250
240
230
220
\
1
7
у
20
40
60
г, с
Рис. 3. Зависимость температур поверхностей капель от времени при начальных радиусах капель, мм: 1) 1; 2) 2
Можно отметить и показанную на рис. 2, 3 зависимость скорости испарения НДМГ от температуры его поверхности. На больших высотах температура
НДМГ незначительно отличается от температуры, поддерживаемой в баках жидкостных ракет. По мере движения капли в разряженных слоях атмосферы происходит ее охлаждение за счет теплообмена с окружающей средой, температура поверхности падает и соответственно снижается скорость испарения. Полученные зависимости в определенной степени отражают и изменение условий теплообмена за счет изменения скорости движения капель.
Величина скоростей движения капель u меняется так, как показано на рис. 4 за счет влияния группы факторов, основными из которых являются коэффициент сопротивления и плотность воздуха.
50 ='45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
У
/
[ ч
I 2
I \ 1
I \
\
0
20
40
60
Г, с
Рис. 2. Зависимость скоростей испарения капель от времени при начальных радиусах капель, мм: 1) 1; 2) 2
Также следует отметить, что движение капель очень крупных размеров в атмосфере Земли до ее поверхности представляется крайне маловероятным потому, что большие массы жидкости при движении со скоростями 40...50 м/с должны дробиться на мелкие. Последние же испаряются достаточно быстро.
I с
Рис. 4. Зависимость скоростей движения капель от времени при начальных радиусах капель, мм: 1) 1; 2) 2
На основании полученных результатов можно сделать заключение о том, что попадание НДМГ на поверхность Земли после отделения первых ступеней ракет-носителей возможно, только если несимметричный диметилгидразин остается в баках, которые движутся до поверхности Земли не разрушаясь в атмосфере. В этом случае вероятность антропогенного воздействия НДМГ на фитоценозы достаточно высока. Но для обоснованного вывода о такой схеме попадания НДМГ на поверхность Земли следует решить задачу тепломассопереноса для массы НдМГ, оставшегося в баках после разделения.
Заключение
Смоделирован процесс испарения под действием конвекции и излучения от Солнца несимметричного диметилгидразина при движении его капель к поверхности Земли после разгерметизации топливных баков ракет-носителей на высотах до 40 км. На основании результатов численного анализа показано, что капли с характерным размером свыше 16 мм могут достигать поверхности Земли. Отсюда следует, что если НДМГ выбрасывается из баков отделившихся первых ступеней, то его испарение завершается на больших высотах. В дальнейшем возможен перенос парообразного НДМГ на большие расстояния от места отделения первых ступеней ракет-носителей.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта №06-08-00873-а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Экологические проблемы и риски воздействий ракетно-космической техники на окружающую среду: Справочное пособие / Под ред. В.В. Алдушина, С.И. Козлова, А.В. Петрова. - М.: АНКИЛ, 2000. - 600 с.
2. Архипов В.А., Березиков А.П., Козлов Е.А. и др. Моделирование техногенных загрязнений при отделении ступеней ракет-носителей // Известия вузов. Физика. - 2005. - № 11. - С. 5-9.
3. Немова Т.Н., Кузнецов Г.В., Мамонтов Т.Я., Бульба Е.Е. Численное моделирование состояния капель диметилгидразина при движении из верхних слоев атмосферы к поверхности Земли // Известия вузов. Физика. - 2006. - № 6. - С. 112-115.
4. Долотов А.Е., Кузнецов ГВ., Немова Т.Н. Численное моделирование процесса испарения капель несимметричного диме-
тилгидразина в атмосфере Земли // Известия вузов. Физика. -2007. - № 4. - С. 46-49.
5. Хирс Д., Паунд Г. Испарение и конденсация. - М.: Металлургия, 1966. - 196 с.
6. ГОСТ 24631-81. Государственный стандарт СССР. Атмосферы справочные. Параметры. Государственный комитет СССР по стандартам. Москва.
7. Большаков ГФ. Химия и технология компонентов жидкого топлива. - Л.: Химия, 1983. - 320 с., ил.
Поступила 15.10.2008 г.
УДК 536.468
ОЦЕНКА ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ МАЗУТА В УСЛОВИЯХ ПЕРЕГРУЗКИ, ХРАНЕНИЯ И ТРАНСПОРТА НА ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СТАНЦИЯХ
А.В. Захаревич, Г.В. Кузнецов, В.И. Максимов, В.Ф. Панин, Д.С. Равдин
Томский политехнический университет E-mail: elf@tpu.ru
Экспериментально установлена возможность зажигания мазута одиночной нагретой до высоких температур (1473 К) металлической частицей, определеныы зависимости времени задержки зажигания от начальной температурыы частицы. Показано влияние структурыы частиц (монолитные и пористые) на закономерности процесса зажигания мазута.
Ключевые слова:
Пожарная опасность, время задержки зажигания, металлическая частица, жидкое топливо.
Введение
Вещества или материалы, свойства которых каким-либо образом благоприятствуют возникновению или развитию пожара, относят к пожароопасным [1].
Разработка эффективных пожаро-профилакти-ческих мероприятий в теплоэнергетике и успешное тушение возникающих на тепловых электрических станциях пожаров в решающей степени зависят от правильности и полноты оценки пожарной опасности веществ, использующихся в том или ином производстве. При оценке пожарной опасности всех веществ определяют их способность воспламеняться.
Одним из широко применяющихся на тепловых электрических станциях (ТЭС) топлив является мазут, свойства которого и эксплуатационные характеристики в ряде случаев достаточно нестабильны. Нестабильность проявляется в мазутопроводах и особенно в мазутохранилищах, как способность мазута постепенно образовывать на стенках смолистые и коксообразные отложения, трудно поддающиеся удалению. Свой вклад в нестабильность мазута вносит коагуляция асфальтосмолистых веществ, обусловленная тем, что мазут перекачивают и хранят на ТЭС в подогретом состоянии.
Характерными для теплоэнергетики являются процессы ремонта, повторяющиеся достаточно регулярно в связи со специфическими условиями работы основного и вспомогательного оборудования [2, 3]. Проведение ремонтных работ обычно сопровождается процессами резки и сварки металлов. Образующиеся при этом частицы металлов являются вероятными источниками зажигания мазута при его транспорте, хранении и перегрузке. До настоящего времени оценки пожарной опасности мазута в условиях проведения ремонтных работ в цехах ТЭС не проводилось.
Целью работы является экспериментальное исследование закономерностей зажигания мазута одиночными нагретыми до высоких температур частицами металлов.
Основной характеристикой процесса зажигания веществ является время задержки зажигания тш. Поэтому функцией цели [4] в проведенных экспериментах было выбрано ты. Основными факторами, определяющими величину тш на основании анализа результатов теоретических исследований [5], можно считать значение начальной температуры частицы и её размеры. Основной проблемой является то, что частицы (часто капли) являются неправильными многогранниками или несимме-
