О тепловом балансе пожарного насоса Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 614.846:536

О ТЕПЛОВОМ БАЛАНСЕ ПОЖАРНОГО НАСОСА

Аналитическими, расчетно-теоретическими и экспериментальными исследованиями показаны повышение эффективности подогрева, а также замедление темпа охлаждения воды в насосе марки ПН-40УВ пожарного автомобиля посредством его теплоизоляции.

Ключевые слова: тепловой баланс, пожарный насос, нагрев, вода.

В суровых зимних условиях бесперебойная подача огнетушащей жидкости (воды или пено-образующего раствора) к месту работы оперативных расчетов сопряжена со значительными трудностями.

Оперативным расчетам противопожарной службы известны случаи замерзания воды в рукавных линиях при тушении пожара. Происходит это вследствие того, что вода, подаваемая по рукавной линии, отдает теплоту в окружающее пространство, т.е. по мере движения по рукавной линии температура воды понижается. В ходе исследований [1] установлено, что повышение температуры воды на каждые 0,1 °С позволяет увеличить длину магистральной пожарной напорной рукавной линии на 50 м.

Замерзшие рукавные линии сложно разобрать и, соответственно, убрать в скатки. Попытки загибов замерзших рукавов при сворачивании сил и средств после окончания тушения пожара приводят к их механическим повреждениям (порывам). Это является одной из причин того, что в регионах с низкими температурами значительная доля напорных пожарных рукавов списывается ранее установленного срока.

Одним из вариантов решения проблемы уменьшения интенсивности образования льда в рукавах является подогрев воды, например непосредственно пожарным насосом. Это связано с относительно низким КПД центробежных пожарных насосов. Так, величина КПД насоса марки ПН-40УВ изменяется от 60 % при номинальной величине подачи до нуля при отсутствии подачи воды [2]. Таким образом, работающий центробежный насос нагревается. Об интенсивности нагрева насоса свидетельствуют следующие данные: при нулевой подаче и работе пожарного центробежного насоса марки

ПН-40УВ на номинальной частоте вращения вала рабочего колеса 2700 об./мин потребляемая им мощность составляет порядка 22 кВт [2], при этом в результате трения воды о вращающееся рабочее колесо и стенки корпуса она трансформируется в теплоту и диссипируется.

Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение усиленного подогрева огне-тушащей жидкости, находящейся в пожарном насосе, теплотой, выделяющейся при его работе, для предотвращения обледенения и замерзания воды в магистральных напорных рукавных линиях в условиях низких температур окружающего воздуха при минимальных доработках конструкций спецагрегатов пожарных машин.

Для решения данной задачи подогрев огнетуша-щей жидкости предлагается производить посредством эффективной теплоизоляции пожарного центробежного насоса собственно и его напорного коллектора [3] для максимального сохранения теплоты, выделяющейся при работе насоса, и ее последующей передачи потоку огнетушащей жидкости, обеспечивающих увеличение длины магистральных пожарных напорных рукавных линий.

Задача решается тем, что при эксплуатации в условиях низких температур окружающего воздуха пожарный насос в сборе с напорным коллектором и перекрывными задвижками капсулируют, т.е. их наружную поверхность (кроме контрольно-измерительных приборов) полностью покрывают утеплительным гибким теплоизолирующим съемным покрытием-чехлом, закрепленным на насосе, при этом сторона покрытия, обращенная к корпусу насоса, имеет теплоотражающее покрытие, например металлизированное, в виде напыленной алюминиевой пленки.

Ш 0869-7493 ППЖАРПВЗРЫВПБЕЗППАСНПСТЬ 2009 ЮМ 18 №2

57

Рис. 1. Схема продольного разреза пожарного насоса со съемным покрытием-чехлом для работы в условиях низких температур: 1 — коллектор; 2 — насос; 3 — тепло-отражающий слой; 4 и 5 — теплоизолирующие слои; 6 — элементы крепления фрагментов чехла друг к другу

Рис. 2. Фрагменты съемного теплоизолирующего покрытия-чехла пожарного насоса ПН-40УВ

На рис. 1 представлена одна из возможных схем продольного разреза пожарного насоса для работы в условиях низких температур со съемным покрытием, изготовленным в виде чехла-пакета из теплоизолирующего и теплоотражающего слоев.

Таким образом, теплоизолирующее покрытие выполнено съемным и представляет собой пакет из двух теплоизолирующих и одного теплоотражающего слоев (рис. 2). Сочетание металлизированной полульняной ткани (эластоискожа-Т теплоотража-тельная) и теплоизолирующего материала, например из войлока тонкошерстяного АТИМ-9 или холсто-прошивного ватина, используемых в комплектах теплозащитной одежды для пожарных [4], либо из волокон ароматических полиамидов [5] и т.п., обеспечивает нужный эффект. Кроме того, такое гибкое трехслойное утеплительное покрытие для лучшей теплоизоляции выполняется в виде пакета, т.е. с воздушным промежутком между слоями.

Наличие теплоизолирующего покрытия на пожарном насосе в условиях низких температур, кро-

ме того, гарантирует более полное удаление через сливной краник на корпусе насоса воды, оставшейся после его работы на пожаре, что позволяет исключить примерзание рабочего колеса к корпусу, а также клапанов перекрывных задвижек на коллекторе насоса к их седлам.

Теоретическая оценка эффективности предложенного технического решения была проведена методом теплового баланса для двух состояний. Первое — это режим нагрева воды в насосе на его холостом ходу, второе — охлаждение после выключения насоса по завершению боевых действий.

Температура воды в насосе в процессе нагрева перед ее подачей в рукавную линию

Влияние различных факторов на продолжительность нагрева воды, находящейся в полости насоса, на режиме холостого хода, а также на изменение температуры воды целесообразно оценивать, исходя из теплового баланса насоса.

Математическое описание данного режима приведено ниже.

В дифференциальной форме уравнение теплового баланса при нагреве за время ёт будет иметь вид:

Nпотр ёт Своды-Мводы (Тводы Тнач ) + См-Мм (Тм Тнач ) + + СметМмет (Тмет — Тнач ) + аБ (Тмет — То ) ёт,

где Мпотр — мощность, потребляемая насосом от силового агрегата, кВт;

Своды , См , Смет — удельная теплоемкость пресной воды, смазочного масла и металла насоса соответственно, Дж/(кг-К);

Тводы , Тм , Тмет , То , Тнач — температура вод№

масла, металла насоса, окружающего воздуха и начальная температура насоса соответственно, К; мводы, Мм, Ммет — массы воды, масла и насоса, кг;

а — коэффициент теплоотдачи поверхности насоса, Вт/(м2-К);

£ — наружная поверхность насоса, м2. Приняв одинаковыми температуры воды, масла, металла прогретого насоса и обозначив их как среднюю температуру насоса Тнас, получим/

632МКр ш ёт = (Своды Мводы + См Мм +

+ Смет Ммет) ёТнас + аБТШс ёт - аБТо ёт.

Обозначив Ые = Ь, аБ = к, аБТо = I, Св

+ СмМм + Смет Ммет = т получаем:

(Ь + I- кТнас )ёт = т ёТнас или (В - кТнас )ёт = т ёТнас,

где (Ь + I )= В.

Мв

+

Ш 0869-7493 ППЖАРПВЗРЫВПБЕЗППАСНПСТЬ 2009 ЮМ 18 №2

60 120 180 240 300 360 т, с

Рис. 3. Динамика прогрева воды в пожарном насосе ПН-40УВ на холостом ходу при различных частотах вращения вала и разных средствах теплоизоляции: 1 и 2 — прогрев при 1900 об./мин, насос не оборудован и оборудован средством теплоизоляции (чехлом) соответственно; 3 и 4 — прогрев при 2700 об./мин, насос не оборудован и оборудован средством теплоизоляции (чехлом) соответственно

Такое уравнение с известными начальными условиями является задачей Коши, которая решается численно стандартными методами, например методом Рунге-Кутта 2-го порядка, или применением пакета прикладных программ "МаШсаё".

После интегрирования продолжительность прогрева воды в насосе при его работе на холостом ходу определится по формуле:

m. т = — ln

к

- кТнач

- - кТHac

(1)

Температура воды в насосе в зависимости от продолжительности прогрева составит:

T = -

нас к

- —к

exp (кт/ m)

(2)

Анализ выражений (1) и (2) показывает, что: повышение температуры воды в насосе при прогреве на холостом ходу подчиняется экспоненциальному закону. Это было подтверждено экспериментами, результаты которых представлены на рис. 3;

максимальная скорость нагрева имеет место в его начале (в первые 510 с), что также было подтверждено экспериментально (см. рис. 3); мощность, потребляемая насосом от двигателя, определяется зависимостью вида Нпотр = Мкрю, кВт (ю — частота вращения вала рабочего коле-

са насоса, с

М

кр

крутящий момент, нм). Причем очевидно, что в случае, если насос заполнен водой полностью, Мкр = const. Поэтому интенсификация нагрева воды в насосе может быть достигнута, при прочих равных условиях, увеличением частоты вращения вала рабочего колеса ю.

Тепловой баланс пожарного насоса при охлаждении после его выключения

Процесс охлаждения теплоносителя в насосе может быть описан следующим дифференциальным уравнением (перепадом температуры в насосе пренебрегаем, т.е. считаем его термически тонким телом):

(ш„ ев + Шл1СА1 + Шст Ост + шм см) ёТ/ёт =

= - а (Тр - То )2Б, (3)

где ше = 22,0 кг — масса воды в насосе ПН-40УВ; ев = 4,18 кДжДкг-К) — удельная теплоемкость воды при температуре 60 °С [6];

mAl = 57,17 кг

масса алюминиевых деталей

насоса ПН-40УВ;

cAl = 0,92 кДжДкг-К) — удельная теплоемкость алюминия;

mcm = 4,6 кг — масса стальных деталей (вала, подшипников) насоса ПН-40УВ; ccm = 0,462 кДж/(кгК) — удельная теплоемкость стали;

mM = 0,428 кг — масса смазочного масла насоса ПН-40УВ;

cM = 1,905 кДжДкг-К)—удельная теплоемкость смазочного масла при температуре 60 °С; т — время, с;

а — суммарный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2-К);

S = 0,35 м2 — площадь (односторонняя) поверхности пожарного насоса марки ПН-40УВ с его масляной ванной, всасывающим патрубком и в сборе с напорным коллектором. Отсюда

me ce + mAl Caí + mcm Ccm + mMñM = 147,51 кДж/К.

Ввиду относительно небольших температур полагаем, что теплообмен излучением несущественен. Пренебрегая зависимостью теплоемкости от температуры, проинтегрируем уравнение (3).

Поскольку температура спокойного воздуха в экспериментах To = const и известна температура в начальный момент охлаждения Ткн> то средняя температура насоса за время охлаждения т определится по уравнению:

Тр = To + (Тр (н) - To) ехр (- кт),

(4)

где

к = 2aS/(me ce + mAl caí + m cm Ccm + mM cM) (5)

— темп охлаждения насоса.

Таким образом, полученные зависимости указывают на экспоненциальное убывание температуры при охлаждении насоса после его выключения, что также нашло подтверждение в проведенных экспериментах (рис. 4).

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2009 ТОМ 18 №2

Для оценки предложенного технического решения была спланирована и поставлена серия поисковых экспериментов. Для проверки адекватности теоретических расчетов были произведены измерения динамики нагрева и охлаждения насоса ПН-40УВ. Пожарная автоцистерна марки АЦ-3,2-40(433114), оборудованная малоизношенным центробежным пожарным насосом ПН-40УВ (наработка которого составила 186 ч при ресурсе спецагрегата 1100 ч) заднего расположения, была закрыта с трех сторон сплошными экранами, что обеспечивало полный штиль. Напоры на коллекторе насоса измерялись манометром МТП-160 с классом точности 1,5 и пределами измерений 1-16 атм, разрежение — мановакуумметром с классом точности 1,5 и пределами измерений от минус 1 до 6 атм. Частота оборотов вала рабочего колеса насоса ПН-40УВ определялась штатным тахометром. Хронометраж осуществлялся механическим секундомером марки "Слава" (ГОСТ 5072-79) с ценой деления 0,1 с.

Температура окружающего воздуха в экспериментах составляла (0+1) °С. Динамика прогрева и охлаждения воды определялась термометрами манометрического типа ТКП-60/ЗМ с пределами измерений 0-120 °С и классом точности 1,5. Один датчик измерял температуру во всасывающем патрубке насоса, другой — в его напорном коллекторе. Среднеобъемная температура Ту определялась как среднее арифметическое показаний этих приборов.

Всего было проведено три эксперимента, в каждом из которых измерения температур проводили как с предложенным средством теплоизоляции — чехлом насоса, так и без него.

Так, в первом эксперименте воду в насосе прогревали при номинальной частоте вращения вала рабочего колеса 2700 об./мин, а также и при частоте 1900 об./мин с начальной температуры 293 К (20 °С) до среднеобъемной температуры 333 К (60 °С).

Условия второго эксперимента предусматривали определение динамики охлаждения опорожненного насоса с температуры 333 К (60 °С) до 303 К (30 °С).

Аналогично, в третьем эксперименте определялась динамика охлаждения насоса, но уже в случае, если по каким-либо причинам из него не была слита вода.

Определение темпов охлаждения пожарного насоса ПН-40УВ

На рис. 4 представлены экспериментальные графики охлаждения насоса ПН-40УВ.

Согласно формуле (4) скорость снижения температуры определяется величиной множителя

ехр(-кт). Если полученные кривые рис.4 перестроить в полулогарифмические координаты 1п (Трн - То), т, то экспоненты будут иметь вид пучка прямых (рис. 5).

Из графика рис. 5 определим интенсивности охлаждения насоса ПН-40УВ при разных средствах его теплоизоляции по уравнению:

к.■ = (1пДТ1 - 1пЛТ2)/(т2 - т1).

Далее на основании выражения (5) находим суммарные коэффициенты теплоотдачи насоса ПН-40УВ при наличии либо отсутствии средств теплоизоляции, а также для случаев, когда насос был заполнен водой либо опорожнен:

а.■ = к (те св + тм см + тст Сст + тм см)/2Б.

Результаты расчетов, основанные на экспериментальных данных, сведены в таблицу, из которой следует, что применение средств теплоизоляции позволило более чем в 1,33 раза уменьшить тепло-рассеивание насоса при охлаждении.

Проведенными опытами установлено замедление темпов охлаждения теплоизолированного насоса в сравнении с нетеплоизолированным, как заполненного водой, так и порожнего. Таким образом, данное техническое решение обеспечило уменьше-

Рис. 4. Динамика охлаждения на спокойном воздухе пожарного насоса ПН-40УВ: 1 и 2 — насос заполнен водой, не оборудован и оборудован средством теплоизоляции (чехлом) соответственно; 3 и 4 — насос не заполнен водой, не оборудован и оборудован средством теплоизоляции (чехлом) соответственно

Рис. 5. Динамика охлаждения насоса ПН-40УВ: 1 и 2 — насос заполнен водой, не оборудован и оборудован средством теплоизоляции (чехлом) соответственно; 3 и 4 — насос не заполнен водой, не оборудован и оборудован средством теплоизоляции (чехлом) соответственно

6о| ГСМ 0869-7493 ППЖАРПВЗРЫВПБЕЗППАСНПСТЬ 2009 ТПМ18 №2

Суммарные коэффициенты теплоотдачи центробежного пожарного насоса марки ПН-40УВ, определенные по результатам экспериментов

№ серии эксперимента Наличие средств теплоизоляции насоса ПН-40УВ Наличие воды в насосе Время охлаждения ПН-40УВ т, с Темп охлаждения насоса k, с-1 Суммарный коэффициент теплоотдачи а, Вт/(м2-К)

1 Отсутствуют Порожний 2850 0,000279 58,7936

2 Имеются Порожний 4152 0,0001915 40,3547

3 Отсутствуют Заполнен 10230 0,0000777 16,3737

4 Имеются Заполнен 11220 0,0000708 14,9196

Примечание. Температура при проведении экспериментов: окружающего воздуха То — начальная — 333 К, конечная — 303 К. 273 К; насоса ПН-40УВ

ние суммарного коэффициента теплоотдачи на 10 % и в 1,5 раза соответственно.

Кроме того, из рис. 3 видно, что вода в корпусе насоса при номинальной частоте вращения вала рабочего колеса нагревается от 293 К (20 °С) до 333 К (60 °С) на 1 мин быстрее в случае, если ПН-40УВ теплоизолирован чехлом предложенной конструкции.

Выводы

Проведенное практическое испытание предложенного технического решения позволяет сделать вывод об определенной эффективности теплоизоляции пожарного насоса, это решение технически осуществимо и не требует больших материальных затрат.

Таким образом, применение технического решения по теплоизоляции пожарного насоса в условиях низких температур изменяет тепловой баланс

насоса в сторону уменьшения рассеивания тепла, выделяющегося при его работе, и позволяет этим теплом интенсивнее подогревать воду внутри пожарного насоса без привлечения каких-либо внешних теплоисточников, исключить операции по запуску последних, их техобслуживанию и т.п. При использовании теплоизолирующего покрытия насоса уменьшится износ и увеличится долговечность пожарных напорных рукавов зимой, так как указанные показатели во многом зависят от температуры потока огнетушащей жидкости в них. Все это в целом повышает надежность насосно-рукав-ных систем и эффективность тушения пожаров в условиях низких температур окружающего воздуха, т.е. позволяет уменьшить количество жертв и материальные потери от пожаров при обеспечении пожарных машин зимним комплектом теплоизоляции — чехлом для насоса.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алешков, М. В. Повышение работоспособности напорных рукавных линий при тушении пожаров в условиях низких температур : дис.... канд. техн. наук / М. В. Алешков. — М.: ВИПТШ МВД СССР, 1990. — 293 с.

2. Пожарная техника : учебник / Под ред. М. Д. Безбородько. — М. : Академия ГПС МЧС России, 2004. — 550 с.

3. Патент РФ № 68324 / М. А. Савин [и др.].

4. Простов, Н. И. Техническое описание и инструкция по эксплуатации комплекта теплозащитной одежды для пожарных ТК-800 / Н. И. Простов, Ю. Ф. Аверин, В. И. Логинов. — М. : ВНИИПО МВД СССР, 1987. — С. 3-7.

5. Политехнический словарь/ Под ред. А. Ю. Ишлинского. — М.: Советская энциклопедия, 1989. — 398 с.

6. Михеев, М. А. Основы теплопередачи /М.А. Михеев, И. М. Михеева. — М.: Энергия, 1973. — 320 с.

Материал поступил в редакцию 16.03.09.

© Савин М. А., Семиноженко В. В., 2009 г. (тел.: +7 (343) 360-81-46, 360-81-50).

ISSN 0869-7493 ООЖАРОВЗРЫВОБЕЗООАСООСТЬ 2009 ТОМ 18 №2

61