CC BY
16
Ю.Б. Жаринов
д-р техн. наук, проф., заведующий кафедрой Бийского технологического инсти-тута (филиал) АлтГТУ им. И.И.Ползунова
В.В. Ерофеев
д-р техн. наук, главный научный сотрудник ОАО «ФНПЦ «Алтай»
Р.В. Рафиков
старший научный сотрудник ОАО «ФНПЦ «Алтай»
УДК 614.841.345
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫБРОСА И ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ВОДЫ СЖАТЫМ ГАЗОМ ИЗ УСТАНОВОК ВОДОАЭРОЗОЛЬНОГО ПОЖАРОТУШЕНИЯ
Изложен метод и результаты расчетов различных способов выброса и диспергирования воды сжатым газом с целью дальнейшего использования метода и ЭВМ-программы для численных исследований и проектных расчетов параметров водоаэрозольных огнетушителей с ограниченным запасом рабочего газа.
Ключевые слова: РАСПЫЛИТЕЛЬ, ВЫТЕСНИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА, СЕКУНДНЫЙ РАСХОД, ДАВЛЕНИЕ, СКОРОСТЬ ИСТЕЧЕНИЯ, ДИСПЕРГИРОВАНИЕ
Одним из этапов в направлении создания новых типов огнетушителей, используемых для тушения пожаров на промышленных объектах, является исследование и разработка метода расчета газодинамических параметров вытеснения воды и его алгоритм.
Рассмотрим моделирование способов выброса и диспергирования воды сжатым газом из емкости с водой подачей вытесняющего газа из ресивера-накопителя сжатого воздуха либо из камеры сгорания патронов источника холодного газа (ИХГ) [1].
Разработанный ниже метод расчета газодинамических параметров вытеснения воды и реализующая его
ЭВМ-программа протестированы сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными, изложенными в статье*. Там же описаны конструкция установки, а также порядок и условия проведения испытаний, поэтому здесь ограничимся расчетной схемой установки (рисунок 1).
1 Постановка и метод решения задачи
Рассматриваются два варианта создания запаса рабочего газа в накопителе экспериментальной установки: а) закачиванием сжатого воздуха в ресивер компрессора до заданного давления Р1(0); б) сжиганием патронов ИХГ в камере сгорания. Начальный запас сжатого газа в накопителе 1 после открытия соответствующих линий-каналов его
подачи (4, 5) расходуется на «газопоршневое» вытеснение воды из емкости 2 и на вдув в одном или в двух сечениях распылителя комбинированного типа 3. Требуется вычислить время вытеснения запаса воды из емкости 2 для различных способов и режимов подачи газа по линиям 4, 5, общий расход газа и его распределение по различным линиям, а также остаточные давления в накопителе и в емкости с водой.
Для вычисления осредненных по объему параметров сжатого газа в накопителе решается нестационарная система термодинамических уравнений, выражающих законы сохранения массы и энергии, с учетом уравнения состояния совершенного газа:
См. статью в данном журнале на с. 51
1 - ресивер-накопитель сжатого воздуха либо камера сгорания патронов ИХГ; 2 - емкость с запасом воды; 3 - распылитель; 4 - линия подвода газа к емкости с водой; 5 - линии подвода газа к распылителю; 6 - линия подачи воды к распылителю; 7- предохранительный клапан
Рисунок 1 - Схема установки для диспергирования воды сжатым газом
Ф]_ Л
V
Г+ Г" ^ о
О! -О! - —-Р1
1 ;
(1)
(Ц»! \kjRj с^ Р!
(2)
Р1 = Р1 ^ Т1>
(3)
где Р1 (1); pl(t); T1(t) - текущие давление, плотность, температура газа в накопителе соответственно, Па, кг/м3, К; Т - температура продуктов сгорания ИХГ, К; 1 - время, с;
- объем накопителя, м3; к1 - показатель адиабаты газа;
Я1 - удельная газовая постоянная газа, заполняющего накопитель, Дж/кг/К; 01+ - секундный массовый газоприход при горении ИХГ, кг/с; 01- - секундный массовый расход газа из накопителя, кг/с.
В случае задачи расчета вытеснительной системы с генерацией рабочего газа от заряда ИХГ система уравнений (1)-(3) дополняется уравнением изменения свободного объема накопителя газов - камеры сгорания патрона ИХГ в виде:
Рт
58
где рт - плотность твердого пиротехнического вещества, кг/м3 В задаче вытеснения сжатым воздухом в уравнении (1):
сПЛ^
Л
= 0
По результатам автономных испытаний патрона ИХГ с газопроизводительностью при нормальных условиях 40 л распределение газоприхода во времени можно приближенно представить в виде:
ог =
0,02 при г 2 2с
0,012 при 2с < г £ Зс
0,006 при Зс < г < 4с
0,0 при I > 4с
(5)
В условиях экспериментов с исходным запасом сжатого воздуха, накопленного в ресивере компрессора, 01+ =0. Секундный массовый расход рабочего газа из ресивера-накопителя в емкость с водой описывается уравнением:
О; (0 = А1 • Р1 (0 F4, (6)
где А1 - коэффициент истечения, с/м;
F4 - минимальное поперечное сечение линии подачи газа в емкость с водой, м2.
В зависимости от режима истечения, определяемого соотношением давлений Р^УР^),
где Р20) - текущее давление в емкости с водой, коэффициент истечения вычисляется по соотношениям:
А1 =
к,+1
к!+1
2^,-1).
к1
——, при — <
кх +1
к-1
(7)
2 к,+1"
7к\ № к, (Р2) к,
К1Т10СХ-1)
, при — >
кх +1
к,-1
Для вычисления осредненных по свободному объему емкости с водой параметров вытесняющего газа с учетом его поступления в емкость с секундным массовым приходом G2+ = G1- решается система уравнений, аналогичная (1)-(3),
Ф2 а
+ <т2
-^2 7— Р2
(и
1 ;
(8)
^ = к2К2 Р2 К2 ^ а I 2 ) W2 ат су\у2 Л
(9)
59
Р2 = Р2 Р2 Т2' (Ю)
где дпот - тепловые потери в емкости с водой, Дж; Су - теплоемкость газа в емкости с водой, Дж/кг/К.
Предполагается, что процессы охлаждения и возможного изменения состава газа патронов ИХГ при взаимодействии с водой в емкости не приводят к изменению показателя адиабаты и удельной газовой постоянной, то есть к1=к2= к;
Р1=Р2 = *
Дополнительно к формулам (8)-(10) задается уравнение изменения свободного объема '2 в процессе вытеснения воды:
™2=У6.Р6 (11)
л
где F6 - площадь минимального поперечного сечения линии подачи воды 6 (рисунок 1
12(Р2-Р3)
У6 = I —-а - скорость воды на входе в распылитель;
V Рв
рв - в плотность воды, кг/м3;
Р3 - давление в полости распылителя, Па.
Секундный массовый расход газа из емкости с водой О2- на подмешивание в распылитель по линии 5 (рисунок 1) описывается уравнением:
О; (1) = А2 Р2(1) ^ (12)
где F5 - площадь минимального поперечного сечения линии подачи газа 5.
Коэффициент истечения газа А2 по линии 5 определяется по формулам, аналогичным (7), но для соотношений давлений Р3/Р2.
Методы решения предыдущих задач общеизвестны [2, 3], и поэтому здесь они не рассматриваются. С точки зрения решения поставленной задачи в целом, принципиальное значение имеет задача расчета истечения из распылителей газожидкостной среды. Не рассматривая специфических процессов взаимодействия потока воды в трубе со струями вдуваемого сжатого газа [4, 5, 6], для расчета процесса истечения газожидкостной среды из распылителя воспользуемся методом, предложенным в [7, 8]. В этих работах использована модель адиабатического равновесного истечения газожидкостной среды и выведено барометрическое уравнение состояния для нее.
В отличие от истечения несжимаемой жидкости газожидкостная среда ведет себя как псевдогаз [4]. При ее истечении наблюдаются критические явления «запирания» распылителя и зависимость давления в его выходном сечении от режима истечения.
Для расчета параметров смеси газа и воды в полости распылителя по методу [7, 8] необходимо знать объемную долю газа аз в распылителе и давление Р3. Объемная доля определяется по соотношению:
а3 = —
где =_?_- объем, занимаемый массой газа, поступающей за время 1 = 1 с в распылитель (О3+ = G2-);
8 т> 3 2
= F6 V6 1 - объем, занимаемый массой воды, поступающей за время 1 = 1 с в распылитель, где F6 V6 - секундный объемный приход воды в распылитель.
60
В первом приближении давление в полости распылителя Р3 принимается равным среднему значению между давлением в емкости с водой Р2 и давлением окружающей среды Р :
Рт =
Р2+Ра
Метод [7, 8] позволяет определить критическое давление Р на выходе из распылителя по уравнению:
кр
аз ад-о- аз
1-а
р
(1-а3)2 Ръ
а
1-а
3 Р*+Р„
3 кр
(13)
Давление на выходе из распылителя Рс установится равным критическому давлению, то есть Р = Р , если Р
с кр кр
больше наружного давления Р . В противном случае давление Р установится равным наружному давлению, то есть Р =Р . 3 С
с а
Секундный массовый расход газожидкостной среды через выходное сечение распылителя определяется по соотношению:
= РсКК = Рс\2Ре
а Р
Ръ-Рс—
1-а3 Ръ
0,5
1+ ^
(14)
1-а3 Рс
Сравнивая расход газожидкостной среды из распылителя О3- с суммой приходов в распылитель массы газа О3+ и воды рвУ^6, поправляем давление в полости распылителя с таким расчетом, чтобы добиться равенства суммы приходов масс газа и воды расходу смеси, то есть
а- = а+ + р УХ
3 3 г в 6 6 .
(15)
Если погрешность (15) больше заданной, то есть | G3- - G3+ - рвУ^6 | >8, то необходимо повторить весь расчет с поправленным значением давления в распылителе Р3.
Если погрешность (15) меньше заданной, то есть | G3- - G3+ - рвУ6F6 | < 8 , то расчет по циклу для данного момента времени заканчивается и начинается расчет параметров для следующего момента времени.
2 Результаты расчетов
По разработанной ЭВМ-программе, реализующей описанный в пункте 1 метод решения задачи, проведен ряд расчетов для условий экспериментов (см. сноску на с. 61) на установке (рисунок 1) с вытеснением воды из 6-литровой емкости сжатым воздухом. Исходные данные.
Из серии экспериментов выбраны только те, которые проведены с одним вариантом конструкции распылителя, признанным лучшим.
Сжатый воздух при Р1(0) накоплен в ресивере компрессора объемом = 50-10"3 м3. Условные диаметры линий подачи газа и воды: ё4 = 0,009 м; ё5 = 0,006 м; ё6 = 0,016 м; залитая порция воды в емкость - 6 л, плотность воды принята равной рв = 103 кг/м3; Т1(0) = 312 К; Ц = 1,4; Я = 287 Дж/кг/К. Испытания распылителя проводились для трех режимов подачи воздуха:
1-й режим - в распылитель воздух не подается;
2-й режим - подается воздух по оси распылителя по линии 5 через конический насадок с диаметром выходного сечения ё = 3 мм;
с
3-й режим - в распылитель подается воздух по линии 5 через центральный канал диаметром = 3 мм и через кольцевой зазор с площадью прохода F = 9,6 мм2 перед входным сечением конической форсунки распылителя.
В таблице 1 приведены характерные условия и результаты проведенных экспериментов. Таблица 1 - Результаты процесса выброса воды из емкости
Номер опыта Режим подачи газа вд/вд, кгс/см и, с т2(у, кг + т3 (д, кг
1 1 7,8/6,3 5,0 0,04495 -
2 2 7,7/5,2 10,0 0,03964 0,06554
3 3 7,7/4,3 12,5 0,03278 0,18135
В таблице 1 обозначено:
^ - полное время процесса выброса запаса воды из емкости;
Р^ОуР^) - отношение начального и конечного давлений воздуха в ресивере;
т 1 к ( = —-- —1—5-- - масса воздуха, вытекшая из ресивера к моменту выброса всей порции воды, кг;
ЯТ^О) Я-Т^ж)
Т](0) - начальная температура сжатого воздуха в ресивере;
Р^к)
к-1
к
Т ( ((-) = Т 1 (0) (- ^ (^ () - конечная температура воздуха в ресивере;
+ / ч Рг(1ж)^2 „ ^
т 2 (* ( ) = - - масса воздуха, оставшаяся в емкости с водой к моменту выброса всего запаса воды, кг;
ЯТ2
Ш3+ = Ш1- (^ - m2+ (^ - масса воздуха, поданная в распылитель 3 по линии 5 к моменту времени выброса всего запаса воды, кг
Результаты расчетов диаграмм давления P1(t) и массовых расходов воздуха для различных режимов его подачи в распылитель показаны на рисунках 2, 3, 4.
На рисунке 2 показаны результаты расчетов для условий опыта № 1, где P1(t) - изменение давления в 50-литровой емкости накопителя во времени; Ш1- (1) - текущая масса газа, поступившая в емкость с водой 2 из накопителя 1.
Р,кгс/сь^
т,кг
•ч —т;
__ .
■ *""
о! г"
«п «м
«о
(.С
Рисунок 2 - Результаты моделирования вытеснения воды из емкости в сопоставлении
с данными опыта №1
Из рисунка 2 видно, что 6 л воды вытесняются примерно за 4 с. К этому моменту времени давление в накопителе Р^) = 6,4 кгс/см2, а истекшая из него масса газа составила примерно 50 г
Как видим, значение давления в накопителе в момент времени ^ = 4 с удовлетворительно согласуется с замеренным в опыте.
Для опыта № 2 на рисунке 3, кроме диаграмм Р^) и т^), приведены диаграммы давления в полости распылителя Р3(Х) и текущей массы газа, поступившей в распылитель по линии 5, тз+(1) .
Из рисунка 3 видно, что время вытеснения 6 л воды увеличилось примерно до 9 с, что хорошо совпадает с результатами опыта № 2 (^ = 10 с).
Давление в накопителе на момент завершения выброса воды составило Р^^) = 5,6 кгс/см2, а в опыте зафиксировано давление, равное примерно ~ 5,2 кгс/см2.
63
Результаты расчетов в условиях опыта № 3, показанные графически на рисунке 4, свидетельствуют о том, что при дополнительной подаче газа в полость распылителя время выброса воды увеличилось до 12,6 с (для сравнения в опыте № 3 - 12,5 с, а давление в момент завершения выброса воды составило ~ 4,9 кгс/см2 (в опыте № 3 - 4,3 кгс/см2).
Приведенные результаты сравнения показывают, что расчет по ЭВМ-программе, реализующей решение поставленной задачи, достаточно хорошо согласуется с опытными данными. Поэтому метод и ЭВМ-программа могут быть использованы для дальнейших численных исследований и проектных расчетов соответствующих водоаэрозольных установок пожаротушения, в том числе с источником рабочего газа от патронов ИХГ.
По результатам отработки опытного образца водоаэрозольного огнетушителя с патронами ИХГ будет проведена дальнейшая проверка метода расчета и при необходимости произведена его доработка.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1 Источники холодного газа нового поколения. Безопасность в обращении, надежность в эксплуатации / В.Н. Осипков, Д.Н. Никитин, А.Н. Расторгуев, ГЮ. Шейтельман // Пожаровзрывобезопасность. - 2001. - № 1. - С. 51-55.
2 Беляев, Н.М. Системы наддува топливных баков ракет / Н.М. Беляев. - М.: Машиностроение, 1976. - 276 с.
3 Райзберг, Б.А. Основы теории рабочих процессов в ракетных системах на твердом топливе / Б.А. Райзберг, Б.Т. Ерохин, К.П. Самсонов. - М.: Машиностроение. - 1972. - 245 с.
4 Душкин, А.А. Образование сплошного газового слоя при истечении газа в жидкость / А.А. Душкин // Теплофизика высоких температур. -1991. -№1. - Т.29. -С. 988-994.
5 Кутателадзе, С.С. Теплообмен и волны в газожидкостных системах / С.С. Кутателадзе, В.Е. Накоряков. -Новосибирск: Наука, 1984. - 167 с.
6 Изучение процесса истечения в жидкость газового потока из заглубленного сопла / И.П. Гинзбург, В.А. Сурин, А.А. Багаутдинов, А.С. Григорьянц, Л.И. Шуб // Инженерно-физический журнал. -1977. -№2. - Т. XXXIII. - С. 213-223.
7 Шагапов, В.Ш. Истечение газожидкостных и парожидкостных сред из большой емкости через щель / В.Ш. Шагапов // Теплофизика высоких температур. - 1979. - № 3. - С. 43-51.
8 Шагапов, В.Ш. Об истечении вскипающей жидкости из трубчатых каналов / В.Ш. Шагапов, Г.Я. Галеева, Р.Г. Шагиев // Теплофизика высоких температур. - 1998. - № 1. - С.106-112.
MODELING OF WATER EMISSION AND DISPERSION WITH Жаринов Юрий Борисович
COMPRESSED GAS FROM WATER-AEROSOL FIREFIGHTING тел. 89039497176
INSTALLATIONS
Yu. B. Zharinov, V.V. Yerofeev, R.V.Rafikov The method and calculation Ерофеев
results of various ways of water emission and dispersing by the compressed Виталий Владимирович
gas for the purpose of this method and the computer program further use тел. (3854) 30-17-40
for numerical researches and design calculations of water-aerosol fire
extinguishers with the limited stock of working gas parameters is stated. Рафиков Ренат Вазихович
Key words: SPRAYER, DISPLACING SYSTEM, CONSUMPTION PER тел. (3854) 30-58-35
SECOND, PRESSURE, EMISSION SPEED, DISPERSION
64
