CC BY
19
ПОЖАРНАЯ ТЕХНИКА
УДК 614.846:536
СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ УРОВНЯ АДАПТИВНОСТИ ПОЖАРНЫХ НАСОСНО-РУКАВНЫХ СИСТЕМ К НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫМ УСЛОВИЯМ
Расчетно-теоретическими исследованиями показана техническая возможность повышения температуры воды в пожарной насосно-рукавной системе посредством подачи отработавших газов в специальную рубашку подогрева корпуса насоса.
Ключевые слова: пожарный насос, вода, подогрев, отработавшие газы.
Как известно, свыше 90 % отказов агрегатов и систем пожарных автомобилей (ПА) в условиях низких температур приходится на насосную установку (замерзание воды в насосе, замерзание водопенных коммуникаций и т. д.) [1]. С ухудшением надежности работы насосного агрегата снижается работоспособность насосно-рукавной системы в целом. При этом до 38 % отказов этой системы происходит из-за замерзания напорных рукавных линий, поэтому в регионах с низкими температурами порядка 35 % напорных пожарных рукавов списывается ранее установленного срока [2]. Таким образом, современные отечественные пожарные насосы (ПН) и рукава плохо приспособлены к работе в условиях низких температур, поэтому вопросы обеспечения надежности работы их в зимний период являются актуальными.
Один из вариантов решения указанных проблем — подогрев воды, например, непосредственно в пожарном насосе. Группой авторов был получен патент на способ подогрева ПН в условиях низких температур [3]. Согласно [3] дополнительный подогрев ПН и огнетушащей жидкости в нем предлагается производить не только посредством теплоты, выделяющейся при работе ПН, но и путем подачи непосредственно в специальную подогревательную полость-рубашку корпуса ПН отработавших газов (ОГ), к примеру, двигателя (ДВС) базового шасси ПА (см. рисунок). Исследованиями установлено, что повышение температуры воды на каждые
© Семиноженко В. В., Савин М. А., 2010
0,1 °С позволяет увеличить длину магистральной напорной рукавной линии без перемерзания на 50 м [2].
Таким образом, рубашка подогрева корпуса ПН имеет патрубки для подвода и отвода ОГ. Для эффективной передачи теплоты огнетушащей жидкости, находящейся в полости ПН, патрубок для подвода ОГ размещен на диффузоре насоса, а для отвода — на противоположной стороне корпуса, что позволяет в полной мере использовать принцип противотока для нагрева воды, циркулирующей в насосе. Кроме того, рубашка подогрева для увеличения поверхности теплообмена состоит из ряда
Схема пожарного насоса с полостью-рубашкой подогрева теплотой отработавших газов согласно [3]: 1 — пожарный насос; 2 — рубашка подогрева корпуса насоса; 3 — ДВС базового шасси ПА; 4 — выпускной коллектор ДВС; 5 — переключающее устройство глушитель - насос; 6 — глушитель; 7 — патрубок для подвода ОГ в рубашку подогрева корпуса пожарного насоса; 8 — патрубок для отвода ОГ
5Й| 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТОМ 19
параллельных каналов круглой, прямоугольной или иной формы.
Для ориентировочного определения мощности подогрева воды в ПН посредством теплоты ОГ двигателя ПА, на которую можно рассчитывать, приведем следующую выкладку.
Тепловая мощность ОГ бензинового ДВС Qoг может быть определена из выражения [4]:
Qог = {[0,44 + а (3,5 + 3,6^/10000)] х
х ¿ог-3,58а ¿гЛ^т (1)
где а — коэффициент избытка воздуха;
¿ог—температура ОГ в выпускном коллекторе, °С;
tn
температура горючей смеси около впуск-
ного клапана, °С;
GT — расход топлива, кг/ч.
Следовательно, зная температуру горючей смеси около впускных клапанов и температуру ОГ в выпускном коллекторе, с учетом состава горючей смеси, а также скоростного и нагрузочного режима работы ДВС с достаточной для практических целей точностью по расходу топлива в час можно определить количество теплоты, уносимой ОГ. Эту теплоту можно использовать для подогрева спецагрегата ПА в низкотемпературных условиях.
В первом приближении температура горючей смеси около впускных клапанов с учетом подогрева свежего заряда нагретыми деталями и остаточными газами в бензиновом ДВС в зависимости от степени сжатия варьируется от 350 до 400 °С, а в дизельном двигателе редко превышает 350 °С. Температура ОГ в выпускном коллекторе бензинового ДВС в зависимости от режима его работы изменяется от 600 до 800 °С, причем меньшие значения температуры ОГ характерны для ДВС с более высокой степенью сжатия. Поскольку максимальная температура сгорания топлива в дизельных двигателях ниже, чем в бензиновых ДВС, и колеблется в интервале 15271827 °С, температура ОГ в выпускном коллекторе дизеля может быть принятаравной 227-327 °С [4].
При увеличении частоты вращения коленчатого вала бензинового ДВС теплота его ОГ возрастает, что объясняется уменьшением количества теплоты, передаваемой через стенки в систему охлаждения (СО), поэтому при открытых выпускных клапанах ОГ имеют более высокую температуру.
При дросселировании бензинового ДВС на постоянном скоростном режиме работы абсолютные значения теплоты его ОГ уменьшаются по сравнению с теплотой при полностью открытой дроссельной заслонке.
В зависимости от состава горючей смеси в бензиновом ДВС изменяются теплота и скорость сгорания топлива, что отражается на его тепловом балансе. Так, в случае богатых горючих смесей растут
тепловые потери из-за химической неполноты сгорания топлива и, как следствие, теплота ОГ уменьшается, однако по мере обеднения горючей смеси она вновь увеличивается.
Тепловой баланс дизеля отличается от теплового баланса бензинового ДВС более высоким тепло-использованием. В его балансе доля теплоты, затрачиваемой на эффективную работу, составляет около 35 %, что на 30 % выше по сравнению с бензиновым ДВС. Увеличение доли полезной теплоты в дизеле связано с отсутствием тепловых потерь из-за химической неполноты сгорания топлива и уменьшением теплоты, уносимой ОГ в окружающую среду. Кроме того, в отличие от бензинового ДВС в дизеле с увеличением частоты вращения коленчатого вала теплота ОГ снижается.
Расход топлива ДВС в час определяется по их скоростным характеристикам в зависимости от нагрузочного и скоростного режима работы либо экспериментально.
Согласно нормам [5] расход топлива при работе на привод спецагрегата составляет для дизеля ЯМЗ-236 и бензинового двигателя ЗИЛ-130 соответственно 12,7 кг/ч (0,250 л/мин) и 14,9 кг/ч (0,330 л/мин).
Приняв коэффициент избытка воздуха равным 1 и средние значения температуры ОГ и горючей смеси, по указанной формуле можно ориентировочно определить средние значения теплоты ОГ, которую можно использовать для подогрева агрегатов ПА.
Тепловые мощности ОГ бензинового двигателя ЗИЛ-130 Qогк в период его работы на привод ПН и дизеля ЯМЗ-236 Qогд в период его работы на привод спецагрегата в низкотемпературных условиях в первом приближении будут равны:
Qогк = {[0,44 + 1-(3,5 + 3,6-700/10000)]-700 -
- 3,58-1-375}-15,44 = 24578,94 ккал/ч;
Qогд = {[0,44 + 1-(3,5 + 3,6-550/10000)]-550 -
- 3,58-1-350}-13,05 = 13348,85 ккал/ч.
Из расчетов следует, что у дизельного двигателя тепловой поток ОГ почти в два раза меньше, чем у бензинового ДВС. Отмеченная разница может быть компенсирована за счет использования теплоты ОГ предпускового жидкостного подогревателя, являющегося на многих дизельных ДВС штатным оборудованием, либо отопителя.
Отсюда можно определить приращение температуры воды Анагнетаемой в магистральную пожарную напорную рукавную линию, по формуле
Аг = ЛТт/(ОД, (2)
где N — тепловая мощность ОГ двигателя ПА на среднестатистическом пожаре в условиях низких температур, кВт;
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТОМ 19 №5
х — время, с;
Ср — удельная теплоемкость воды при температуре 0 °С; Ср = 4,212 кДж/(кг-°С) [6]; Q — расход пресной воды на среднестатистическом пожаре в условиях низких температур; Q = 20 л/с = 20 кг/с [7].
Таким образом, применение рубашки подогрева пожарного насоса позволяет обеспечить приращение температуры воды Л?, нагнетаемой в магистральную пожарную напорную рукавную линию, на среднестатистическом пожаре в условиях низких температур приблизительно на 0,18 °С в случае применения в качестве привода ПА дизельного двигателя и на 0,34 °С — бензинового. Это даст возможность дополнительно увеличить длину магистральной пожарной напорной рукавной линии без ее перемерзания примерно на90и170м соответственно (расчет произведен без учета рассеивания тепла наружными поверхностями пожарного насоса).
Выводы
1. Проведенные расчеты показывают, что подогрев спецагрегатов ПА может быть осуществлен посредством теплоты ОГ. При этом температура по-
высится в случае применения бензинового ДВС на 0,18 °С и дизеля на 0,34 °С, что позволит дополнительно увеличить длину магистральной рукавной линии без ее перемерзания примерно на 90 и 170 м соответственно.
2. Для повышения эффективности использования теплоты ОГ целесообразно ПН максимально приблизить к ДВС, например, посредством его размещения в салоне ПА.
3. Для получения необходимого количества (теплоты) ОГ, например, когда базовое шасси ПА имеет дизельный силовой агрегат, может быть применен предпусковой жидкостный подогреватель либо специальный смонтированный отопитель.
4. Применение подогрева насоса даст возможность уменьшить износ и увеличить долговечность пожарных напорных рукавов зимой, поскольку данные показатели во многом зависят от температуры потока огнетушащей жидкости в них. Все это в целом повышает надежность насосно-рукавных систем и эффективность тушения пожаров в условиях низких температур окружающего воздуха, т. е. позволит избежать большого числа жертв и значительных материальных потерь от пожаров.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Пивоваров В. В. Совершенствование парка пожарных автомобилей России. — М. : ВНИИПО, 2006.
2. Алешков М. В. Повышение работоспособности напорных рукавных линий при тушении пожаров в условиях низких температур : дис.... канд. техн. наук. — М.: ВИПТШ МВД СССР, 1990.
3. Пат. 23721123 РФ. Способ подогрева насоса в условиях низких температур / М. А. Савин, Ю. А. Кошмаров, X. И. Исхаков и др.
4. Ленин И. М. Теория автомобильных и тракторныхдвигателей : учебник для вузов. — М.: Машиностроение, 1969.
5. Распоряжение Минтранса России от 14.03.2008 г. № АМ-23-р "О введении в действие методических рекомендаций "Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте" // Документы и комментарии. — Апрель 2008. — № 8.
6. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. — М. : Энергия, 1973.
7. Яковенко Ю. Ф. Россия: пожарная охрана на рубеже веков. — Тверь : Сивер, 2004.
Материал поступил в редакцию 9 апреля 2010 г. Электронные адреса авторов: [email protected], [email protected].
6о| ГСМ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №5
