CC BY
7
ПОЖАРНАЯ И ПРОМЫШЛЕННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ (ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ) FIRE AND INDUSTRIAL SAFETY (TECHNICAL)
УДК 614.843.27
РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ НАДЕЖНОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПРОТИВОПОЖАРНЫХ ВОДОПРОВОДОВ В ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ АРКТИКИ В СЛУЧАЕ АВАРИЙНЫХ СИТУАЦИЙ
В. Б. БУБНОВ, Д. С. РЕПИН, И. В. ХАЗОВА
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, Российская Федерация, г. Иваново E-mail: kafppv@mail.ru
Рассмотрено применение разработанной ячеечной математической модели (модели осесим-метричной теплопроводности) в кольцевом поперечном сечении к описанию переходных процессов в поперечном сечении противопожарного трубопровода в случае аварийной остановки подачи воды. Моделирование и исследование тепловых процессов с фазовыми переходами позволило установить влияние окружающих условий и конструктивных факторов на их протекание. Модель позволяет определять время до замерзания допустимой доли воды и ее оттаивания при увеличении температуры.
Исследовано температурное распределение по радиусу трубопровода при различных тепло-физических состояниях тепловой изоляции. Рассматривались следующие состояния теплоизоляции: полностью сухая; влажная (с теплофизическими параметрами полностью промерзшей тепловой изоляции); промерзающая в процессах теплопереноса изоляция.
Рассмотрена работа математической модели при изменяющейся температуре окружающего воздуха. Получены графические зависимости, позволяющие определить ресурс времени до замерзания допустимой доли воды при различной толщине слоя тепловой изоляции.
С использованием разработанной математической модели проведены численные исследования обогреваемого сечения трубопровода благодаря учитываемой в модели удельной мощности источников тепла. Рассмотрено, как происходит продвижение фронта промерзания без обогрева и при разной удельной тепловой мощности обогрева.
На основе анализа результатов исследований разработаны практические рекомендации по обеспечению надежного функционирования противопожарных водопроводов в природно -климатических условиях Арктики в случае аварийных ситуаций.
Ключевые слова: пожаротушение; аварийная ситуация; трубопровод; тепловая изоляция; теплофизические свойства; промерзание; температура; теплопроводность; электрообогрев.
DEVELOPMENT OF RECOMMENDATIONS TO ENSURE RELIABLE FUNCTIONING OF FIRE-FIGHTING WATER PIPELINES IN THE NATURAL-CLIMATIC CONDITIONS OF THE ARCTIC IN THE EVENT OF EMERGENCIES
V. B. BUBNOV, D. S. REPIN, I. V. KHAZOVA
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education
«Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo E-mail: kafppv@mail.ru
© Бубнов В. Б., Репин Д. С., Хазова И. В., 2021
The application of the developed cellular mathematical model (model of axisymmetric thermal conductivity) in an annular cross-section to the description of transient processes in the cross-section of a fire-fighting pipeline in the event of an emergency shutdown of water supply is considered. Modeling and research of thermal processes with phase transitions made it possible to establish the influence of environmental conditions and design factors on their course. The model allows you to determine the time until the permissible fraction of water freezes and thaws with increasing temperature.
The temperature distribution along the radius of the pipeline is investigated for various thermophysi-cal states of thermal insulation. The following states of thermal insulation were considered: completely dry; wet (with thermophysical parameters of completely frozen thermal insulation); insulation freezing in heat transfer processes.
The work of the mathematical model at varying ambient temperature is considered. Graphical dependencies have been obtained that make it possible to determine the resource of time until the permissible fraction of water freezes with different thickness of the thermal insulation layer.
Using the developed mathematical model, numerical studies of the heated section of the pipeline were carried out due to the specific power of heat sources taken into account in the model. It is considered how the freezing front advances without heating and at different specific thermal power of heating.
Based on the analysis of the research results, practical recommendations have been developed for ensuring the reliable functioning of fire-fighting water pipelines in the natural and climatic conditions of the Arctic in the event of emergency situations.
Key words: firefighting; emergency situation; pipeline; thermal insulation; thermophysical properties; freezing; temperature; thermal conductivity; electric heating.
Осуществление научно-технического, нормативно-правового и методического сопровождения деятельности по защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера, обеспечению пожарной безопасности и безопасности на водных объектах в арктических условиях — одна из основных задач в сфере обеспечения защиты населения и территорий Арктической зоны Российской Федерации от чрезвычайных ситуаций
1
природного и техногенного характера.
В условиях Арктики практически все водопроводы, в том числе транспортирующие воду на нужды пожаротушения, имеют надземную прокладку. Это обусловлено большим слоем вечной мерзлоты. При низких температурах окружающей среды, характерных для этих районов, для наружного слоя тепловой изоляции возможно частичное промерзание и, соответственно, снижение её термического сопротивления.
При эксплуатации наружных противопожарных водопроводов важнейшей проблемой являются аварийные отключения, поскольку в период ликвидации аварии нельзя допустить замерзание воды. На аварийно отключенном участке водопровода в случае отсутствия подачи воды жидкость быстро остывает. Также происходит и быстрое остывание слоя тепловой изоляции с ее частичным про-
мерзанием [1]. В некоторых случаях длительного перерыва в эксплуатации водопровода вода может частично замерзать. В отключенном аварийном участке, согласно [2], допускается замерзание не более 25 % воды.
В связи с отмеченными обстоятельствами, исследование тепловых процессов, происходящих в трубопроводах систем наружного противопожарного водоснабжения, при возникновении аварийных ситуаций и разработка рекомендаций по обеспечению их надежного функционирования является актуальной задачей.
Целью исследования является разработка научно-обоснованных рекомендаций по обеспечению надежного функционирования противопожарных водопроводов в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха в случаях возникновения аварийных ситуаций.
Для достижения цели в работе решались следующие задачи: разработка модели тепловых процессов в сечении водопровода в исследуемых условиях с учетом промерзания и оттаивания тепловой изоляции и влияния электрообогрева; описание переходных тепловых процессов при аварийной остановке подачи воды; исследование влияния теплофизиче-ского состояния теплоизоляции и ее толщины, графика изменения окружающей температуры, а также удельной тепловой мощности в случае электрообогрева на характер продвижения фронта замерзания воды в трубопроводе.
Анализ подходов к описанию процессов, подобных исследуемым, показал, что
1
Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2035 года. Утв. Указом Президента РФ от 05.03.2020 № 164.
наиболее эффективным и успешно применяемым является применение ячеечных моделей и связанной с ними теорией цепей Маркова [3, 4]. Основная особенность такого подхода- запись балансовых уравнений для элементарного объема, на уровне которого напрямую можно идентифицировать параметры моделей. Основным оператором при этом служит переходная матрица, которая описывает изменение вектора состояния от одного момента времени к другому.
В работе [5] авторами предложена ячеечная модель процесса взаимосвязанного тепло - и влагопереноса с внутренним источником влаги в плоской стенке. Она учитывает как внутренний источник влаги, так и зависимость локальных коэффициентов переноса от локальной температуры и влагосодержания.
Для описания исследуемых процессов в наружных противопожарных водопроводах, работающих в природно-климатических условиях Арктики, был выбран именно этот подход.
В работе [6] представлено описание разработанной ячеечной математической модели теплопроводности в кольцевой области, которая учитывает фазовые переходы в случае промерзания и оттаивания теплоизоляции, изменение теплофизических свойств материала, внутренние источники теплоты и их действие при использовании электрообогрева трубопровода. Применим данную модель для моделирования и исследования переходных тепловых процессов, происходящих в сечении трубопровода, при аварийной остановке подачи воды.
При моделировании исследуемых процессов будем рассматривать трубопровод условно как разделитель воды и тепловой изоляции, а при отсутствии теплоизоляции — воды и окружающей среды, принимая, что толщина стенки трубопровода и ее термическое сопротивление достаточно малы. Т.е. рассматриваемое сечение включает в себя внутренний круг и кольца заданных размеров, его охватывающие. Если в тепловой изоляции присутствует влага, то при низких отрицательных температурах она постепенно промерзает. Фронт промерзания продвигается к оси и это приводит к существенному изменению тепло-физических свойств материала, таких как теплопроводность, плотность, удельная теплоемкость. В результате кольцо, относящееся к тепловой изоляции, состоит из двух и между ними радиус контакта изменяется во время
протекания переходных процессов. Если начинается замерзание жидкости, то также на периферии возникает кольцо льда, которое по теплофизическим свойствам отличается от воды.
Проведем исследования температурного распределения по радиусу для разных теп-лофизических состояний тепловой изоляции: 1. Полностью сухая изоляция. 2. Влажная (с теплофизическими параметрами полностью промерзшей тепловой изоляции). 3. Изоляция, промерзающая в процессах теплопереноса. При проведении численных исследований рассматривался трубопровод радиусом 0,05 м с внешним радиусом теплоизоляции 0,1 м. Для наглядности выявления всех особенностей исследуемого процесса принимается, что все сечение вначале находится в тепловом равновесии (температура +1оС), затем происходит скачок температуры окружающего воздуха до -30оС. Жидкость начинает замерзать при достижении нулевой температуры на радиусе трубопровода. Ее температура не снижается до тех пор, пока вся жидкость полностью не замерзнет. Естественно, при этом температура образовавшегося льда может понижаться. Эти случаи различаются лишь скоростью процесса, поскольку с замерзшей влагой теплопроводность теплоизоляции в два раза больше теплопроводности сухой теплоизоляции. Качественные изменения процесса наблюдаются при учете промерзания изоляции, т.к. в тепловой изоляции происходит замерзание влаги (фазовый переход), задерживающий ее охлаждение. После полного промерзания теплоизоляции процесс также продолжается, но с запаздыванием.
Протекание процесса наглядно показано на рис. 1 и 2. На данных рисунках проиллюстрировано продвижение фронта промерзания влаги для трех указанных выше случаев состояний тепловой изоляции. На рис. 1 представлено продвижение фронта замерзания внутри трубопровода. Как видно из рисунков, вода начинает замерзать при сухой изоляции через 3,5 ч, при промерзающей через 3 ч, при промерзшей полностью через 2 ч. Следует отметить, что линия фронта промерзания почти повторяет предыдущую, запаздывание составляет 1 ч — время замерзания влаги в изоляции. Продолжительность этой задержки во времени будет зависеть от влагосодержания теплоизоляции. В рассматриваемом случае она принималась 2 кг/кг.
дели с любым задаваемым графиком изменения температуры окружающей среды.
Рис. 1. Фронт замерзания воды в трубопроводе при разных теплофизических свойствах изоляции
Случай с промерзающей тепловой изоляцией более детально проиллюстрирован на рис. 2. Фазовые переходы в теплоизоляции в двух других случаях отсутствуют. На данном рисунке показан график фронта промерзания как в трубопроводе, так и в теплоизоляции. Здесь видно, что распространение фронта по радиусу изоляции составляет 1 ч.
Рис. 2. Фронт промерзания в тепловой изоляции и трубопроводе в случае влажной изоляции
Работу математической модели при изменяющейся температуре окружающего воздуха показывает график, представленный на рис. 3. Рассмотренный случай скачка температуры до -30 оС рассмотрен выше. Далее он принят за базовый. В случае постепенного линейного убывания от температуры +1 оС до температуры -30 оС в течение 11 ч продвижение фронта промерзания существенно замедляется и в теплоизоляции, и в жидкости. При обратном скачке температуры до -10 оС в момент времени 5,5 ч график отделяется от базового, вглубь продвигается медленнее. Возможна работа мо-
Рис. 3. Графики изменения окружающей температуры (вверху) и фронт промерзания (внизу)
Влияние толщины слоя тепловой изоляции на протекание исследуемого процесса в поперечном сечении показывает рис. 4. При толщине 1 см полное замерзание воды в трубопроводе происходит за 8,7 ч. При толщине 5 см за это время незамерзшим остается около 80 % радиуса.
Допустимым считается замерзание 25 % поперечного сечения жидкости [2], это соответствует промерзанию 86,6 % от радиуса трубопровода. Данная линия допустимого промерзания приведена на графике и позволяет определить ресурс времени при различной толщине слоя тепловой изоляции.
В разработанной математической модели [6] также предусмотрено исследование обогреваемого сечения трубопровода посредством удельной мощности источников тепла ДQe.
fmc, М
Т. с
Рис. 5. Фронт промерзания при разной мощности обогрева, который локализован над поверхностью трубопровода (скачек температуры окружающей среды от 0 до -30 оС: 1 - ДQe=0; 2 - ДQe=10 Вт/м; 3 - ДQe=20 Вт/м; 4 - ДQe=40 Вт/м; 5 - ДQe=58 Вт/м; 6 - ДQe=80 Вт/м
20 Вт/м - при возрастании мощности до этого значения замерзание воды затягивается и обогрев на промерзание теплоизоляции почти не влияет. 40 Вт/м- начиная с этого значения мощности становится заметным влияние обогрева на тепловую изоляцию. При 58 Вт/м
ее примыкающая к трубопроводу ячейка промерзать начинает лишь после 6,5 ч. За 11 ч при этом замерзание воды только слегка затрагивает трубопровод. 80 Вт/м- тепловая изоляция не промерзает до конца вообще, вода неограниченно долго остается жидкостью.
Проведенные численные исследования с использованием математической модели переходных процессов в сечении трубопровода при остановке прокачки жидкости и анализ их результатов позволили разработать практические рекомендации по обеспечению надежного функционирования противопожарных водопроводов в природно-климатических условиях Арктики в случае аварийных ситуаций.
Исследованы: зависимости распределения температуры по радиусу трубопровода при различных теплофизических состояниях тепловой изоляции; продвижение фронта промерзания в случае различных изменений температуры окружающей среды; продвижение фронта промерзания в случае полностью промерзшей изоляции при различной ее толщине; продвижение фронта промерзания при различной тепловой мощности обогрева; продвижение фронта промерзания в случае различного положения обогревателя над поверхностью трубопровода при скачке окружающей температуры; процессы остывания жидкости в трубопроводе при ее остановке в зависимости от температуры окружающей среды; зависимости времени, в течение которого водопровод может быть отключен, от температуры окружающей среды, с учетом допустимого замерзания в нем 25 % воды и без учета замерзания; влияние конструктивных и режимных факторов обогревающих элементов на кинетику описываемого процесса.
Исследовано влияние толщины теплоизоляции на время, в течение которого происходит замерзание жидкости в водопроводе. Полученный график позволяет определить временной ресурс при разной толщине теплоизоляции.
Установлено, что при уменьшении температуры окружающего воздуха влияние уменьшения теплопроводности тепловой изоляции при ее промерзании преобладает над влиянием замедления остывания жидкости.
Установлено, что фронт замерзания воды продвигается к оси водопровода значительно быстрее в случае смещения обогревательных элементов к периферии, что является негативным фактором при эксплуатации трубопроводов. Определен предпочтительный вариант локализации тепловыделения- близко к поверхности трубопровода. Рациональным оптимальным распределением является распределение удельной тепловой мощности на отрезке между критической точкой и концом
Ч
Рис. 4. Фронт промерзания полностью промерзшей изоляции при различной ее толщине
Рис. 5 показывает, как происходит продвижение фронта промерзания без обогрева (представлено линией 1) и при разной удельной тепловой мощности обогрева.
г~,. м
трубопровода Определена полная тепловая мощность и оптимальное распределение тепловой мощности обогрева, обеспечивающие
Список литературы
1. Моделирование и расчет противопожарных водопроводов при низких отрицательных температурах / В. Б. Бубнов, Н. Н. Елин, Д. С. Репин [и др.] // Современные проблемы гражданской защиты. 2020. № 4 (37). С. 78-84.
2. Тепловая изоляция: справочник / под ред. Г. Ф. Кузнецова. 3-е изд. М.: Стройиздат, 1985. 440 с.
3. Tamir A. Applications of Markov chains in Chemical Engineering. Elsevier publishers. Amsterdam, 1998. 604 pр.
4. Ячeeчнaя мoдeль нeлинeйнoй тeплoпeрeдaчи чeрeз мнoгocлoйную станку / C. В. Фeдocoв, В. E. Мизoнoв, Н. Р. Пoрoшин [и др.] // Cтрoитeльcтвo и рeкoнcтрукция. 2011. № 6 (38). С. 50-56.
5. Елин Н. Н., Бубнов В. Б. Ячеечная модель тепловлагопереноса в ограждающей конструкции с внутренним источником влаги // Актуальные вопросы естествознания: сборник материалов ill Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2018. С. 289-294.
6. Использование электрообогрева для повышения надёжности эксплуатации противопожарных водопроводов в районах Крайнего Севера / Н. Н. Елин, В. Б. Бубнов, В. А. Комельков [и др.] // Технологии техносферной безопасности. 2019. Вып. 2 (84). С. 108-118. DOI: 10.25257/TTS.2019.2.84.108-118.
References
1. Modelirovaniye i raschet pro-tivopozharnykh vodoprovodov pri nizkikh otrit-
заданную температуру на выходе при различных температурах окружающей среды.
satel'nykh temperaturakh [Modeling and calculation of fire water pipelines at low negative temperatures] / V.B. Bubnov, N.N. Yelin, D.S. Repin [i dr.]. Sovremennyye problemy grazhdanskoy zashchity, 2020, issue 4 (37), pp. 78-84.
2. Teplovaya izolyatsiya: spravochnik [Thermal insulation: handbook]. pod red. G. F. Kuznetsova. Moscow: Stroyizdat, 1985. 440 p.
3. Tamir A. Applications of Markov chains in Chemical Engineering. Elsevier publishers. Amsterdam, 1998. 604 pp.
4. Yacheechnaya model' nelineynoy tep-loperedachi cherez mnogocloynuyu ctenku [Cell model of non-linear heat transfer through a multilayer wall] / C.V. Fedocov, V.E. Mizonov, N.R. Po-roshin [i dr.]. Ctroitel'ctvo i rekonctruktsiya, 2011, issue 6 (38), pp. 50-56.
5. Yelin N.N., Bubnov V.B. Yacheyechna-ya model' teplovlagoperenosa v ograzhdayush-chey konstruktsii s vnutrennim istochnikom vlagi [Cell model of heat and moisture transfer in the enclosing structure with an internal source of moisture]. Aktual'nyye voprosy yestestvoznaniya: sbornik materialov III Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiyem. Ivanovo. FGBOU VO Ivanovskaya pozharno-spasatel'naya akademiya Akademija GPS MChS Rossii, 2018, pp. 289-294.
6. Ispol'zovaniye elektroobogreva dlya povysheniya nadozhnosti ekspluatatsii pro-tivopozharnykh vodoprovodov v rayonakh Kraynego Severa [Use of electric heating to increase the reliability of operation of fire-fighting water pipelines in the Far North] / N. N. Yelin, V. B. Bubnov, V. A. Komel'kov [i dr.]. Tekhnologii tekhnosfernoy bezopasnosti, 2019, vol. 2 (84), pp. 108-118. DOI: 10.25257/TTS.2019.2.84.108-118.
Бубнов Владимир Борисович
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
кандидат технических наук, доцент
E-mail: kafppv@mail.ru
Bubnov Vladimir Borisovich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of
State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination
of Consequences of Natural Disasters»,
Russian Federation, Ivanovo
candidate of Technical Sciences, associate Professor
E-mail: kafppv@mail.ru
Репин Денис Сергеевич
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
преподаватель
E-mail: denisrep@mail.ru
Repin Denis Sergeevich
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo teacher
E-mail: denisrep@mail.ru Хазова Ирина Викторовна
Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России,
Российская Федерация, г. Иваново
обучающаяся
E-mail: kafppv@mail.ru
Khazova Irina Viktorovna
Federal State Budget Educational Establishment of Higher Education «Ivanovo Fire Rescue Academy of State Firefighting Service of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural Disasters», Russian Federation, Ivanovo learner
E-mail: kafppv@mail.ru
