CC BY
18
УДК 004.942
Р. Р. Насибуллин, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВОЙ ГАЗОВОЗДУШНОЙ ЗАВЕСЫ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Ключевые слова: пролив сжиженного хлора, распространение опасного вещества, токсодоза, защитное устройство, тепловая механическая газовоздушная завеса, эффективность защиты.
Произведена оценка эффективности тепловой газовоздушной завесы, формируемой механическим способом, при помощи математического моделирования с численной реализацией моделей в вычислительном комплексе Fluent. Были рассмотрены два случая залпового выброса хлора на подстилающей поверхности: при отсутствии и наличии защитной завесы.
Keywords: liquefied chlorine spill, dangerous substances spread, toxic doses, protective device, heated-air mechanic curtain, protection effectiveness.
The effectiveness of the heated-gas curtain, formed by mechanical means, using numerical simulation on a computing complex Fluent were evaluated. Two cases of the chlorine spill on the ground were studied. In a first case chlorine is freely spread in the surface area, in the second case at the time of chlorine salvo emission has operated protective curtain.
Введение
В настоящее время все больше внимания уделяется изучению и исследованию инженерных методов и средств, ограничивающих распространение облаков опасных веществ в приземном слое атмосферы. Данные инженерные системы представляют собой завесы, которые преграждают движение тяжелого, плотного облака опасного вещества, разбавляют его с окружающим воздухом и рассеивают по направлению вверх от земной поверхности [1]. Эти меры позволяют снизить риск поражения персонала опасного производственного объекта (ОПО), на котором произошла авария в виде пролива большого количества опасного вещества, а также защитить население, проживающее на достаточно близком расстоянии от ОПО.
Среди защитных завес в отдельную категорию можно выделить тепловые завесы, формируемые восходящими струями нагретого воздуха [2]. Численные расчеты эффективности этих завес, а именно, формируемых открытым пламенем, показали неплохие результаты [3, 4]. Следует отметить, что данные защитные системы имеют ограничения в применении, их невозможно использовать против пожаровзрывоопасных веществ. В связи с этим, в настоящей работе проведено исследование эффективности защитных тепловых завес, формируемых механическим способом [5, 6], конструкция и принцип работы которых схематично изображены на рисунках 1 и 2.
Вращаемый электродвигателем 6 осевой вентилятор 5 засасывает через нижний и боковой открытые проемы поток чистого атмосферного воздуха II с подветренной стороны установки и через конфу-зорный входной участок 4 и воздуховыпускающий щелевидный насадок 3 направляет его в виде плоской струи вертикально вверх. Плоские струи от отдельных направляющих аппаратов сливаются и формируют защитную воздушную завесу длиной, равной сумме длин всех струйных направляющих аппаратов. Поток воздуха I, содержащий ядовитые
или отравляющие вещества, набегает на сплошную вертикальную стенку, образованную соединенными посредством шарниров 8 вертикальными сплошными касающимися поверхности почвы стенками 7 струйных аппаратов 1, обтекая ее, поднимается вверх до верхнего края щелевидного насадка 3 и далее за счет сил вязкостного трения с поднимающейся из щелевидного насадка воздушной струей поднимается вверх на высоту формируемой установкой защитной воздушной завесы.
Рис. 1 - Устройство для создания направленного вверх нагретого потока воздуха [5]
Рис. 2 - Система соединённых вместе устройств, создающих газовоздушную завесу. Вид сверху [5]
Эти защитные системы формируют поток восходящего воздуха при помощи нагнетающей системы, приводящейся в движение электрическим приводом, при этом воздух прогревается от беспламенного нагревательного элемента, исключая возгорание или взрыв опасного вещества, облако которого необходимо рассеять в окружающем воздухе.
Описание применяемых моделей и исходных данных численного эксперимента
Для оценки эффективности защитной функции газовоздушной завесы была смоделирована и численно решена ситуация разлива сжиженного хлора массой 1 тонна на поверхности земли. Вокруг пролива по периметру установлена завеса прямоугольной формы, размерами 30м*60м (рис. 3). Руководствуясь документом [7], последствия залпового выброса представлялись как два последовательно реализуемых события: вследствие мгновенного вскипания сначала образуется первичное облако в виде цилиндра, с высотой, равной радиусу, затем, изза кипения и испарения пролива жидкости возникает вторичное облако. Масса вещества, поступающего с пролива, определялась при помощи модели, предложенной в работе [8], которая включает описание основных физических явлений, определяющих динамику формирования токсичного облака: испарение аэрозоля в облаке, парообразование при кипении (испарении) пролива, рассеяние газа с капельными включениями в атмосфере, конденсация водяного пара в облаке. Интенсивность парообразо-
вания из пролива И/ (кг/
[Ча+Чдм
с ]) рассчитывалась:
где
АН„
Ча
,2
при ца + ддм > ,]&Пах • ЬНд
' + ЧдМ < ^г,тах • д
тепловой поток из
(1)
атмосферы,
Вт/м2 ; Ч а - тепловой поток из грунта к проливу, Вт/м2 ; АНд - удельная теплота парообразования сжиженного хлора, Дж/кг; ^Jдиффузион-
ный поток, определяемый с помощью пристеночных функций из условия, что мольная доля пара на межфазной границе удз ~ 1 (в модели принималось
Уgs = 0,95), кг/ {и2 с]; и д5 - массовый поток пара,
кг/ ^2с ;;
Первое условие в формуле (1) определяет режим кипения, при котором температура жидкости остается постоянной; второе условие соответствует режиму диффузионного испарения, где изменение температуры рассчитывалось как: дТп,
пя
Я а + ЯдГ - - д
5/
'РЛ7
/77
Ид
Тцд - температура жидкости, К ; СР ¡^ и тцд - теплоемкость и масса жидкости, Дж/ ^г •К ) и кг ; ^ - время, с.
В режиме диффузионного испарения мольная доля пара на межфазной границе вычислялась по формуле:
Уg,s = ^ (Т1щ)/Р
где РдБ - давление насыщенных паров хлора при те мпературе жидкости Т^, Па; Р0 - давление окружающей среды, Па.
На стадии испарения массовый поток хлора вычислялся с помощью пристеночных функций с учетом поправки на Стефановский поток:
->д,В=К
У+
у+ =
\3су+
при у <ус
У=-
\5с, (/+ +РС ) при у + > у+
„с-25 ,.0.5 ,,
рСц кР УР
М
и+ = -1п(£у+)-А£
Рс = 9,24
5с
Эс,
3/4
- 1
[1 + 0,28ехр(- 0,007 )]
К = ■
1п((1 - Yg,P У(1 - Yg,s))
АВ =
У - У
1 g 1 g ,Р
0 при К+< 2,25 при 2,25 < К+ < 90
1-1п[ К: - 2,25
87,75
+ • К+ I-8т|0,4258-(1пК; -0,811)
■11п(+ Сз • К;) приК+> 90
V + - „ V П 0,25 1 0,5/ ,,
К " Р- К - СМ - кР ' М
где - коэффициент, учитывающий влияние на интенсивность испарения стефановского потока; Уд Р - значение мольной доли пара в расчетном
узле Р; р - плотность, кг/мъ ; СМ - константа; кр - турбулентная кинетическая энергия в пристеночном узле, м2/с2 ; У+ - безразмерная концентрация; у + - безразмерное расстояние от стенки; и+ -безразмерная осреднённая скорость, тангенциальная к стенке; у+С - безразмерная толщина диффузионного подслоя; 5с и - молекулярное и турбулентное числа Шмидта; Е — константа в логарифмическом законе стенки для скорости, равная 9,1; — функция, учитывающая сопротивление массопере-носу ламинарного подслоя; А# - функция шероховатости; К- безразмерная шероховатость; К8 — высота шероховатости, м; м--коэффициент молекулярной вязкости, кг/ - с ];
К
Поток тепла от грунта к жидкой фазе, равный qgrd = ЭТ§га/ Зу)у=0 , определялся с помощью уравнения:
С,
ВТ,
Pg Pgrd '
grd
dt
d T,
grd
grd
d2
grd
d2
\
grd
d2
d2
d2
где индекс grd указывает принадлежность параметров грунту.
Граничные условия для уравнения (2): на твердой поверхности, прилегающей к проливу х,0, г) = Т1;(1, на нижней и боковых границах подстилающего слоя оГ^/ 5п = 0, где п -
нормаль к поверхности, ограничивающей расчетную область.
Распределение температур в начальный момент времени в подстилающем слое Т^ (0, х, у, г) = Т0 .
Со стороны грунта высота пристеночных ячеек задавалась равной 0,02 м.
Тепловой поток из атмосферы ца вычислялся с помощью пристеночных функций:
Яа =■
(Т/* _7> P^P PU'
т+ =
\Pi-y+
при у < Уу .
[Рг, (/+ + РТ )приу+ > у+
:924
Рг P Г
34
- 1
[1 + 028exp(- 0,007 Pr/Pr,)] ,
где I x j - безразмерная температура; Рг и Pr,— молекулярное и турбулентное числа Прандтля; Рт — функция, учитывающая сопротивление теп-лопереносу ламинарного подслоя.
Ширина защитной полосы завесы 1 м, скорость нагнетаемого вверх нагретого воздуха и его температура равны 15 м/с и 700С. Расчетные параметры, отражающие распространение примеси в атмосфере, а также газодинамические параметры завесы, определялись посредством численного решения полной системы трехмерных нестационарных уравнений Рейнольдса, переноса массы и энергии, замыкаемых Realizable k-e моделью турбулентности.
Температура сжиженного хлора внутри ёмкости до разлива принималась равной температуре окружающей среды, соответствующей 300К. Площадь пролива оценивалась исходя из условия образования слоя жидкости толщиной 0,05 м.
Скорость ветра в окружающем пространстве принята 1 м/сна высоте 10 м от уровня земли, состояние атмосферы - изотермия. Высота шероховатости прилегающей территории 0,098 м. Относительная влажность воздуха была задана 50%.
Границы зон загрязнения опасным веществом оценивались с помощью значения токсодозы Dg(x,y,z) [7]:
, Ь у, z )= JУвь у, z, t pdt^Yg & y,z,tp
¿эксп - время экспозиции; - шаг по времени; С -концентрация примеси.
Для хлора значения летальной и пороговой ток-содоз равны соответственно 8ьа = 6 и БРа = 0,6 мг-мин/л.
Время экспозиции принималось равным 1800 с, что примерно удовлетворяет времени, требуемого для вывода персонала из опасной зоны.
Результаты расчета
Результаты численного анализа залпового выброса сжиженного хлора, свободно распространяющегося на открытой местности, показана на рис. 3.
—;
—- -
---
X, м
450 '. > src ".: 95с 1 ■ ' i \у\ • <•,:. :'.v: то '; :
Рис. 3 - Изолинии порогового (сплошная линия) и летального (штриховая линия) токсодоз на земной поверхности исследуемой площадки в условиях отсутствия защитной завесы. Прямоугольник изображает местоположение периметра защитной завесы
Местоположение источника хлора соответствует координате х=515м горизонтальной оси земной поверхности, что находится в центре прямоугольного периметра, образуемого газовоздушной завесой (рис. 3). Площади пороговой и летальной зон поражения хлором Spa и ^юравны значениям 131616 м2 и 48723м2. Выброс хлора массой 1т при вышеописанных метеорологических условиях приводит к внушительным размерам зон поражения, как по площади, так и по форме. При отсутствии защитных мер и средств у подобной аварии довольно высокие риски поражения персонала объекта, на котором имеется опасное вещество.
На рисунке 4 приводятся результаты оценки эффективности газовоздушной завесы по сокращению площади заражения хлором, а именно изображено распределение токсодозы, рассчитываемой по формуле (3), на уровне поверхности земли. Пятно в центре прямоугольного периметра обозначает пролив хлора, штриховка показывает распределение расчетной токсодозы, в которой значение больше нуля.
На рис. 4 видно, что значение токсодозы за пределами периметра защитной завесы равна нулю, то есть завеса не пропускает хлор дальше своих границ. Это свидетельствует о хорошей защите устройства от негативного влияния опасного вещества. Несмотря на более высокую стоимость изготовления и эксплуатации данных типов завес в сравнении с огневыми, эти защитные устройства имеют неоспоримое преимущество. Их возможно применять
против любого вида опасного вещества, в том числе пожаровзрывоопасного.
Рис. 4 - Распределение токсодозы на исследуемой площадке
Вывод
Численный анализ показал высокую эффективность тепловых газовоздушных завес, формируемых механическим способом. Достигается это за счет комплексного воздействия нескольких факторов. Теплый воздух, нагнетаемый снизу в верх, нагревает холодное и тяжелое облако хлора, понижая его плотность и усиливая способность к смешению с воздухом. Восходящий поток воздуха поднимает к верху опасное вещество, освобождая приземное
© Р. Р. Насибуллин, асп. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, rail90ongp@yandex.ru; А. Д. Галеев, канд. техн. наук, доцент той же кафедры, galeev_ainur@mail.ru; С. И. Поникаров, д-р техн. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, ponikarov_si@kstu.ru.
© R. R. Nasibouliin, graduate student of the department chemical productions machines and apparatuses of KNRTU, rail90ongp@yandex.ru; A. D. Galeev, ph.D., Associate Professor of the department chemical productions machines and apparatuses of KNRTU, galeev_ainur@mail.ru; S. I. Ponikarov, doctor of Technical Sciences, Professor, head of the department chemical productions machines and apparatuses of KNRTU, ponikarov_si@kstu.ru.
пространство от его присутствия. Наконец, обладая высокими параметрами турбулентности, воздушный напор интенсивно смешивает хлор с окружающим воздухом, понижая концентрацию опасного вещества до безопасных пределов.
Литература
1. Р.Р. Насибуллин, А.Д. Галеев, С.И. Поникаров, Вестник Казан. технол. ун.-та., 16, 4, 221-213, (2013).
2. Р.Р. Насибуллин, А. Д. Галеев, С.И. Поникаров, Вестник Казан. технол. ун.-та., 17, 20, 180-182, (2014).
4. Р.Р. Насибуллин, А.Д. Галеев, С.И. Поникаров, Безопасность труда в промышленности, 1, 28-42, (2015).
5. Пат. 2232039 Российская Федерация, МПК7А62В29/00, F24F9/00. Мобильная установка для формирования воздушной завесы для защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ/ Обухов И.А., Майоров В.А.; заявитель и патентообладатель Пензенская государственная архитектурно-строительная академия.заявл. 10.12.02 ; опубл. 10.07.04.
6. Р.Р. Насибуллин, А. Д. Галеев, С.И. Поникаров, Вестник Казан. технол. ун.-та., 17, 19, 215-218, (2014).
7. РД-03-26-2007. Методические указания по оценке последствий аварийных выбросов опасных веществ (утв. Приказом Федеральной службы по экологическому, технологическому и атомному надзору от 14 декабря 2007 г. №859).
8. Е. В. Старовойтова, дисс. канд. тех. наук, Казань, 2012. 195 с.
