CC BY
18
Ю. X. ПОЛАНДОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры высшей математики ФГБОУ ВПО "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс", г. Орел, Россия М. А. БАРГ, канд техн. наук, старший научный сотрудник кафедры высшей математики ФГБОУ ВПО "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс", г. Орел, Россия В. А. БАБАНКОВ, аспирант кафедры высшей математики ФГБОУ ВПО "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс", г. Орел, Россия
УДК 536.463
ОБ ОДНОМ ВАРИАНТЕ СНИЖЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ВЗРЫВА В МНОГОХОДОВЫХ ГАЗОВЫХ ТОПКАХ
Показано, что давление при взрывах газа в трехходовых топках на порядок больше, чем в одно-ходовых, и может приводить к разрушению конструкции. Вопрос обеспечения взрывобезопас-ности трехходовой топки можно решить установкой перепускного клапана, который при взрыве соединяет объем первого хода и место входа продуктов сгорания в дымовую трубу. Этот эффект объясняется тем, что благодаря такому клапану трехходовая топка при взрыве приближается по конструкции к одноходовой. Перепускной клапан существенно проще взрывного, соединяющего при срабатывании объем топки и атмосферу.
Ключевые слова: многоходовая топка; взрыв газа; перепускной взрывной клапан; численный эксперимент; физический эксперимент.
Объект исследования
В отопительных котлах небольшой мощности используют чаще всего газовые топки с так называемой одноходовой конструкцией, горение в которых происходит при атмосферном давлении. Примером может служить отопительный котел АОГВ-11,6 (ОАО "Боринское", г. Липецк; N = 11,6 кВт), внешний вид и схема которого приведены на рис. 1. Одноходовой такая топка называется потому, что газ и продукты сгорания в ней движутся только в одном направлении (в данном случае — вертикально). В некоторых газовых топках, например у парового котла КП-0,12 (ОАО "Возовсельмаш", пос. Возы Курской обл.; N = = 150 кВт), с целью повышения коэффициента полезного действия увеличена площадь теплопереда-ющих элементов за счет их удлинения (рис. 2). Ком-
б Продукты сгорания
Рис. 1. Внешний вид котла АОГВ-11,6 (а) и схема его одноходовой топки (б): 1 — горелка; 2 — полости с водой; 3 — топка одноходовая; 4 — дымовая труба
Рис. 2. Внешний вид котла КП-0,12 (а) и схема его трехходовой топки (б): 1 — горелка; 2-4 — первая, вторая и третья жаровые трубы; 5 — дымовая труба; 6, 7 — передняя и задняя крышки; 8 — полости с водой
© Поландов Ю. X., Барг М. А., Бабанков В. А., 2012
пактность топки достигается устройством "ходов", по которым движутся продукты сгорания, несколько раз меняя свое направление на 180° в соответствии с конструкцией труб. Обычно устраивают три хода вдоль продольной оси котла — "туда", "обратно" и опять "туда". При этом первый ход "туда" представляет собой чаще всего единую, так называемую жаровую, трубу, а второй и третий — пучки коротких дымогарных труб. Увеличение пути движения продуктов сгорания от горелки до дымовой трубы с поворотами приводит к повышению гидросопротивления. Для преодоления последнего и для организации горения в этом котле используют горелку с напорным вентилятором.
О зависимости давления взрыва газа от числа ходов в топке
Между тем, как показывают результаты физических экспериментов, взрывы газа, если таковые слу-
а
чаются, в одно- и трехходовых типах топок носят принципиально разный характер. Сравним процессы взрывов в одноходовой топке котла АОГВ-11,6 (с диаметром дымовой трубы 114 мм) и в трехходовой топке с напорным вентилятором парового котла КП-0,12 (рис. 3-5).
В котле КП-0,12 у топки длина каждого хода составляет около 1500 мм, диаметр жаровой камеры (первого хода) — 400 мм; суммарная площадь поперечных сечений труб второго и третьего ходов соразмерна с площадью сечения жаровой; диаметр дымовой трубы — 190 мм.
Эксперименты [1] проводили с использованием автоматической компьютеризированной системы управления, измерения и регистрации параметров. В топках котлов и на входе в дымовую трубу были размещены датчики давления (рис. 6).
В топку через горелку при отключении вентилятора и устройства зажигания в течение фиксирован-
в
б
■
ш-
Рис. 3. Развитие взрыва в АОГВ-11,6
а б \ в
* 1
Рис. 4. Взрыв в топке котла КП-0,12 (снизу виден момент разрушения задней крышки топки)
г
г
if
Р, кПа
110 |1
90
70 А
50 / \
30 у Л
10
-10 1
О
0,05
0,10
0,15
т, с
Рис. 5. Сравнение динамики давления при взрывах в одно-ходовой (1) и трехходовой (2) топках
Продукты сгорания
Рис. 6. Схема парового котла КП-0,12 с перепускным клапаном: 1 — перепускной клапан; 2 — датчик давления
ного времени т подавали смесь пропан - бутан (50:50) и после некоторой паузы для обеспечения смешения газа и воздуха проводили ее зажигание. От опыта к опыту увеличивали время подачи газа в топку. По мере увеличения времени натекания газа давление взрыва возрастало, пока вследствие переобогащения смеси она не переставала зажигаться. Эксперимент прекращали в двух случаях: во-первых, при переобогащении и, как следствие, при незажигании смеси (при т >34 с); во-вторых, в случае разрушения топки. На кадрах киносъемки зафиксирован момент разрушения топки в котле КП-0,12 (см. рис. 4). В нашем случае разрушением считалась деформация прижимных узлов задней крышки топки под действием сил давления и раскрытие ее объема. На снимках рис. 4 хорошо виден выброс пламени в тех местах, где произошло разрушение. Деформация имела явно выраженные признаки остаточности: задняя крышка либо восстанавливалась, либо заменялась.
Каждый опыт повторяли трижды. На снимках рис. 3и4 можно видеть существенную (больше чем на порядок) разницу в давлениях взрывов в котлах
обоих типов: в котле АОГВ-11,6 при максимальном давлении 12 кПа (изб.) отсутствуют какие-либо разрушения и топка не потеряла своей работоспособности (см. рис. 3), а в котле КП-0,12 при достигнутом за время т = 20 с давлении 130 кПа (изб.) топка разрушилась (см. рис. 4).
Постановка задачи исследования
Факт разрушения топки при взрывах газа ставит вопрос о необходимости принятия дополнительных конструктивных мер для обеспечения безопасности. Известным решением является вариант применения взрывных клапанов, при срабатывании которых объем жаровой трубы соединяется с атмосферой, что обеспечивает снижение давления при взрыве. Взрывные клапаны эффективны, но имеют ряд недостатков: во-первых, их внешняя поверхность требует теплоизоляции; во-вторых, клапаны необходимо уплотнять по месту стыка в силу того, что давление в топке выше атмосферного и возможно истечение продуктов сгорания в помещение через неплотности; в-третьих, для защиты персонала от воздействия продуктов сгорания при срабатывании клапана выбор места установки клапана резко ограничивается или предусматривается устройство газоотводящих труб. При исследованиях была поставлена задача поиска конструктивных мер для снижения давления взрыва, отличных от взрывного клапана.
Рабочая гипотеза и условия ее проверки
Решение этой задачи предполагалось получить путем приближения конструкции трехходовой топки в момент взрыва к одноходовой. Такое приближение возможно, если на топке устроить дополнительный (перепускной) клапан, который при своем срабатывании соединит объем жаровой трубы напрямую с дымовой (см. рис. 6). Анализируя предварительно влияние этого клапана на физический процесс, отметим, что этот клапан при срабатывании позволяет организовать второй путь движения продуктов сгорания, что может вызвать рост площади фронта пламени. Из результатов ранее проведенных исследований [1] нам известно, что увеличение площади фронта пламени в незамкнутых объемах приводит обычно к повышению давления взрыва, что, естественно, нежелательно.
Однако верно и то, что появление второго (параллельного), более короткого пути движения продуктов сгорания к дымовой трубе объективно должно привести к уменьшению гидросопротивления и, как следствие, к снижению давления в жаровой трубе при взрыве. Предполагается, что гидросопротивление — это фактор, оказывающий более сильное вли-
яние на физический процесс, чем дополнительное увеличение площади фронта пламени.
Правда, эти суждения справедливы применительно лишь к случаю стационарного течения газов. Что касается процесса взрыва, длящегося, как правило, не более 0,5 с, гипотеза нуждается в экспериментальной проверке.
Выбор конструкции перепускного клапана обусловлен рядом его положительных свойств [2]. В отличие от известных конструкций взрывных клапанов при срабатывании перепускного клапана продукты сгорания не попадают в помещение котельной. Кроме того, не требуются теплоизоляция поверхности клапана и какие-то особые требования к уплотнению по месту его посадки.
Гипотеза проверялась как численным моделированием, так и путем физического эксперимента. За прототип модели был взят котел КП-0,12. Перепускной клапан располагали на перегородке, отделяющей жаровую трубу от дымовой. Клапан представлял собой прямоугольную пластину размером 100x140 мм, шарнирно закрепленную вверху и прижатую к перепускному отверстию силой тяжести. Избыточное давление, создаваемое в результате взрыва газа в жаровой трубе, должно открыть клапан и инициировать сброс продуктов сгорания напрямую в дымовую трубу.
Результаты численного эксперимента
Математическая трехмерная модель взрыва газовоздушных смесей, подробно описанная в работах [3,4], основана на системе уравнений сохранения в дивергентном виде для идеального газа, замкнутых уравнением газового состояния (уравнением Эйлера). Система дополнена уравнениями, описывающими механизм распространения пламени, и решается методом крупных частиц [5] с ячейками (числом 75000) размером 10x10x10 мм, с шагом по времени 10-7 с, что удовлетворяет критерию Куранта-Фрид-рихса-Леви с большим запасом.
Картина распространения пламени визуализирована специальным программным продуктом "Вул-кан-М" [6]. Геометрия границ с непринципиальны-
ми отличиями повторяет форму топки (рис. 7), а начальные условия соответствуют заполненности всего объема топки стехиометрической газовой смесью, что предполагает наиболее неблагоприятный случай взрыва. Учтено также наличие неплотности топки со стороны горелки. Перепускной клапан моделируется в открытом положении, поскольку для его открытия необходимо незначительное давление. Численные эксперименты проводились для двух вариантов топки — с перепускным клапаном и без него.
Результаты численного моделирования в форме визуализации развития фронта пламени представлены для варианта без клапана (рис. 7, а) и с перепускным клапаном (рис. 7, б). Снимки приведены для единого времени отсчета с момента начала взрыва. Утолщенной линией ограничен объем, внутри которого расположены три типа клеток: клетки темного цвета обозначают фронт пламени; светлые — объем, в котором температура выше 1000 °С; серые — исходную, еще не горевшую смесью.
Вначале проанализируем динамику развития фронта пламени. Из рис. 7 и 8, а видно, что на начальном этапе развития взрыва (первый снимок) форма фронтов пламени подобна, хотя во втором случае фронт продвинулся дальше (см. рис. 7, б). То же самое можно сказать, наблюдая за развитием давления (рис. 8, б), что подтверждает версию о том, что в направлении клапана гидросопротивление меньше, а скорость газов больше, чем в топке без клапана. Наличие клапана обеспечивает сокращение пути движения к дымовой трубе части продуктов сгорания, что приводит к снижению давления в топке. Затем в развитии фронта пламени наблюдаются отличия, хотя и небольшие.
Во всяком случае, результаты численного моделирования позволяют утверждать, что установка клапана не приводит к сколько-нибудь заметному увеличению площади фронта пламени (см. рис. 8, а). Очевидно, это можно объяснить тем, что за счет увеличения площади протока газов уменьшается скорость их движения, что компенсирует их влияние на площадь фронта.
Рис. 7. Развитие фронта пламени в топке котла КП-0,12 без клапана (а) и с клапаном (б)
Р, кПа 140
90
40
-101-,-,-,-,-
О 0,05 0,10 0,15 0,20 х, с
Рис. 8. Расчетная динамика развития площади фронта горения (а) и давления (б) в топке: 1 — без клапана; 2—с клапаном
Затем обратим внимание на разницу в развитии давления в обоих вариантах топок (см. рис. 8, б). Из рисунка видно, что установка перепускного клапана приводит к существенному снижению давления взрыва. Это подтверждает гипотезу о том, что решающим фактором в развитии взрыва является снижение гидросопротивления.
Результаты физического эксперимента
Физический эксперимент проводился на топке котла с клапаном. Результаты эксперимента в сравнительной форме (с клапаном и без него) представлены на рис. 9 (ось абсцисс — время подачи газа в топку, ось ординат — максимальное давление взрыва в избыточных единицах). В эксперименте с топкой без клапана при времени подачи газа 20 с и давлении взрыва 130 кПа (изб.), как уже отмечалось,
Рис. 9. Сравнение хода давлений при взрывах в топке без клапана (1) и с клапаном (2)
Рис. 10. Зависимость давления при реальных взрывах от времени натекания газа в топку без клапана (1) и с клапаном (2)
произошло разрушение топки с деформацией задней крышки и нарушением герметичности топки.
В эксперименте с топкой с клапаном не наблюдалось разрушения топки независимо от времени подачи в нее газа. Испытания в этом эксперименте проведены для всего интервала значений времени подачи газа, при которых существовала возможность зажигания смеси (0 < т < 34 с) (рис. 10).
Ход давления для т = 17 с, когда еще не разрушилась топка без клапана, при реальных взрывах в топке с клапаном и без него приведен на рис. 9. Видна не только качественная, но и количественная близость динамики изменения давления при взрывах в численном (см. рис. 8, б) и физическом экспериментах (см. рис. 9). Заметим, что расчеты на модели велись для стехиометрического состава смеси, а при физических испытаниях получено давление взрыва при т = 17 с, достаточно близкое к расчетному, из чего следует вывод об адекватности модели.
Вывод
Перепускной клапан на порядок проще и дешевле обычного взрывного клапана. Его применение в многоходовых топках обеспечивает снижение давления взрыва газа более чем в два раза, что в некоторых случаях достаточно для обеспечения неразрушения конструкции топки, безопасности персонала и решения вопроса пожарной безопасности.
Замечание. Принимая во внимание то, что, во-первых, при установке перепускного клапана давление взрыва остается достаточно высоким и, во-вторых, конструкции топок различны, эффективность применения такого клапана как средства защиты следует экспериментально подтверждать в каждом конкретном случае.
Авторы благодарят Министерство образования и науки Российской федерации (тема№ 7.466.2011) и Российский фонд фундаментальных исследований (грант № 12-08-97569) за поддержку.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Поландов Ю. X., Власенко С. А., Барг М.А., Ершов М.Н.К вопросу о пожаро- и взрывобезопасности бытового отопительного газового аппарата (АОГВ) // Известия ОрелГТУ. Серия: Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. — 2009. — № 2-3/274(560). — С. 111-114.
2. Пат. 2460940 Российская Федерация, МПКБ23С 6/00, F24 1/00. Многоходовая топка теплотехнического устройства / Поландов Ю. X., Бабанков В. А, Пахомов С. Д.; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО ОрелГТУ. — № 2010153398/06; заявл. 24.12.2010 г.; опуб. 10.09.2012 г., Бюл. № 25. — 3 с.
3. Поландов Ю. X., Барг М. А., Власенко С. А. Моделирование процесса горения газовоздушной смеси методом крупных частиц//Пожаровзрывобезопасность.—2007. — Т. 16, № 3. — С. 6-10.
4. Polandov Yu. H., BargM. A., Babankov V. A. On effectiveness of overflow explosive valve // Proceedings of the 6th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, September 10-14, 2012. — Vienna/Austria, 2012.
5. Davydov Yu. M.Large-particle method // Encyclopaedia of Mathematics. — London: Kluver Academic Publishers, 1990.—Vol. 5.
6. A031. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ — 2007614950. Моделирование процессов горения и взрыва газовых смесей "Вулкан-М" / Поландов Ю. X., Барг М. А., МарковС. С.; заявитель и владелец ГОУ ВПО ОрелГТУ.—№ 2007613936; заявл. 10.08.2007г.
Материал поступил в редакцию 25 сентября 2012 г.
Электронный адрес авторов:polandov@yandex.ru.
( v
.. Vi .»
Web-сайт: fi repress.ru Эл. почта: mail@fi repress.ru, izdat_pozhnauka@mail.ru Тел.: (495) 228-09-03
ООО «ИЗДАТЕЛЬСТВО «ПОЖНАУКА» ПРЕДЛАГАЕТ ВАШЕМУ ВНИМАНИЮ
Л. П. Пилюгин
Прогнозирование последствий внутренних аварийных взрывов
Настоящая книга посвящена проблеме прогнозирования последствий внутренних взрывов газо-, паро- и пылевоздушных горючих смесей (ГС), образующихся при аварийных ситуациях на взрывоопасных производствах. В книге материал излагается применительно к дефлаграционным взрывам, которые обычно имеют место при горении ГС на взрывоопасных производствах. В качестве основных показателей при прогнозировании последствий аварийных взрывов ГС рассматриваются ожидаемый характер и объем разрушений строительных конструкций в здании (сооружении), в котором происходит аварийный взрыв.
Книга продолжает исследования автора в области проектирования зданий взрывоопасных производств и оценки надежности строительных конструкций (на основе метода преобразования рядов распределения случайных величин).
С использованием методов теории вероятностей разработаны методики: определения характеристик взрывной нагрузки как случайной величины; оценки вероятностей разрушения конструкций, характера и объема разрушений в здании при внутреннем аварийном взрыве. Приведенные методики сопровождаются примерами расчетов для зданий различных объемно-планировочных решений.
