CC BY
18УДК 614.84.621.3
ЧИСТЯКОВ Тимур Игоревич
Волгодонский учебный центр федеральной противопожарной службы МЧС России, Волгодонск, Россия E-mail: timurvdonsk@mail.ru
РОЕНКО Владимир Васильевич
Кандидат технических наук, профессор Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: piroemail@bk.ru
DOI 10.25257/FE.2018.1.63-71
ХРАМЦОВ Сергей Петрович
Кандидат технических наук, доцент Академия ГПС МЧС России, Москва, Россия E-mail: oni-academi-gps@yandex.ru
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОПЕРКОЛЯЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ СТРУЙ ТЕМПЕРАТУРНО-АКТИВИРОВАННОЙ ВОДЫ НА ИХ КОМПЛЕКСНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРИ ТУШЕНИИ ПОЖАРОВ КЛАССА Е
В статье при помощи метода, основанного на теории перколяции, исследуются пути нахождения эффективных электрических параметров для струй температурно-активированной воды. Также рассматривается влияние температурно-активированной воды на комплексное сопротивление при тушении пожаров класса Е.
Ключевые слова: температурно-активированная вода, теория перколяции, эффективная среда, гетерогенный поток, квазистационарность, проводимость, диэлектрическая проницаемость, магнитная проницаемость, электроустановка.
Безопасное и эффективное тушение пожаров класса Е на объектах энергетики остаётся актуальной и далеко не полностью изученной областью пожарной науки. Факторами, стимулирующими исследования в этой области, являются:
1. Статистика аварий и пожаров на объектах электроэнергетики, констатирующая существенный как прямой (порча и выход из строя дорогостоящего электрооборудования), так и косвенный (от перерывов в электро- и тепло-снабжении потребителей) ущерб.
2. Высокий риск электротравматизма и даже гибели людей от ударов током при тушении пожаров класса Е.
3. Появление новых и перспективных огне-тушащих веществ и технических средств их подачи, не прошедших исследования на предмет применимости для тушения электроустановок (ЭУ) и электрооборудования под напряжением:
- струи температурно-активированной воды (ТАВ);
- многоцелевой пожарно-спасательный автомобиль с установкой пожаротушения ТАВ (АПМ).
Применение воды и других составов на её основе для тушения пожаров класса Е остаётся одним из перспективных направлений исследований в этой области, так как именно вода является самым распространённым и дешёвым огнетушащим веществом (ОТВ) по сравнению с газовыми и порошковыми средствами. Вместе с тем высокая электропроводность компактных струй воды не позволяет применять её очевидные достоинства при тушении ЭУ под напряжением в полной мере. Исследования, проведённые в этой области, показывают, что использование способов подачи воды и ОТВ на её основе в виде гетерогенных многофазных
потоков с полидисперсной капельной и дисперсионной газовой средами существенно снижают электропроводность струй и повышают безопасность тушения ими пожаров класса Е. К таким гетерогенным многофазным потокам ОТВ можно отнести струи распылённой и тонкораспылённой воды, компрессионной пены (KAFS), температурно-активированной воды (ТАВ) и левитирующей пены (ЛП). Особого внимания заслуживает ТАВ как наиболее перспективное средство тушения ЭУ под напряжением. Преимущества ТАВ:
- малый расход средства (1-2 л/с) без потери эффективности при тушении пожаров;
- возможность применения для тушения пожаров всех классов, где вода не вступает в реакцию с веществами, усиливающими горение или образующими горючие газы;
- уникальная возможность реализации объёмного способа тушения из-за свойства средства, которая может образовывать парокапельные смеси, длительно находящиеся во взвешенном состоянии, и огибать препятствия [1];
- возможность добавления к ТАВ при помощи штатных технических средств подачи АПМ дополнительных огнетушащих составов, придающих новые огнетушащие свойства или усиливающие огнетуша-щий эффект (примешивание к ТАВ пенообразователя и получение ЛП).
В публикациях [2, 3] был предложен способ анализа электропроводимости струй ТАВ на основе теоретической модели, основанной на методах теории электрических цепей и электротехники. Было выяснено, что любые токи, протекающие как через тело человека (пожарный-ствольщик), так и через насосно-рукавную
© Чистяков Т. И., Роенко В. В., Храмцов С. П., 2018
63
систему пожарного автомобиля, а также через системы заземления и электрозащитные средства, являются лишь частью суммарного тока, текущего через струю ТАВ. Каждый из этих электрических токов ветвей эквивалентной схемы заведомо меньше тока по струе ТАВ [2]. Именно поэтому задача сводится к нахождению переменного синусоидального тока частотой 50 Гц (для большинства промышленных ЭУ), протекающего через струю ТАВ на месте тушения пожара класса Е. Искомый ток можно найти, зная комплексное сопротивление струи ТАВ:
Z = f(F;R;L;C),
где Z - комплексное сопротивление струи, Ом; F - частота переменного тока, Гц; R - активное (резистивное) сопротивление струи, Ом; L - индуктивность струи, Гн; С - ёмкость струи, Ф.
Как было выяснено на основе анализа схемы замещения, комплексное сопротивления струи ТАВ зависит от его активного сопротивления, ёмкости и индуктивности, а те, в свою очередь, от геометрических параметров конических струй ТАВ (у а и /полн) и от эффективных электрических параметров (рэф;
^эф и ^ эф. у ):
С = /(г/,;/пол„;а;е0;еэф)
где /полн - длина струи ТАВ от среза сопла ствола до ЭУ, м; а - угол раскрытия струи, рад; y1 - радиус среза сопла ствола, м; рэф - эффективное удельное сопротивление струи, Ом • м; е0 ~ 8,85-10-12 - абсолютная диэлектрическая проницаемость вакуума, Ф/м; еэф - эффективная относительная диэлектрическая проницаемость струи ТАВ; ц0 ~ 1,25663706-10-6 -абсолютная магнитная проницаемость вакуума, Гн/м; це - относительная магнитная проницаемость внешней среды; цэф. - эффективная относительная магнитная проницаемость струи ТАВ.
Нахождение геометрических параметров струй ТАВ не представляет труда и может быть сделано на основе анализа фото- и видеоматериалов фиксации эксперимента по подаче струй ТАВ из штатных стволов АПМ. Нахождение эффективных электрических параметров струй ТАВ представляет собой более сложную задачу и требует дальнейшего теоретического анализа физических процессов, протекающих в двухфазных гетерогенных струях ТАВ с полидисперсной водокапельной и монодисперсионной газопаровой несущей средами. Данная публикация посвящена именно этой проблеме и является логическим продолжением метода, предложенного в статьях [2, 3].
Физические процессы, протекающие при получении струй ТАВ из недогретой до температуры насыщения воды (далее - недогретая вода), являются
весьма сложными для математического моделирования, но теоретически могут быть решены методами, изложенными в работах [4, 5, 6]. При выборе той или иной методики важна постановка общей задачи, а также выбор начальных и граничных условий. Например, если поставить задачу оптимизации параметров недогретой воды, подаваемой к штатным стволам АПМ для тушения пожара класса Е, в целях достижения наименьшей проводимости струй ТАВ, то необходимо создать математическую модель, описывающую зависимость комплексного сопротивления струй ТАВ от расхода Q, давления P и температуры T недогретой воды на входе в стволы. Если при табулировании функции Z = /(Q; P; T) удастся найти её максимум (при варьировании значений расхода Q, давления P, температуры T, которые должны лежать в реализуемых границах для установки пожаротушения ТАВ (УПТАВ) и без ущерба для огнетушащей способности), то можно вести речь о разработке технически обоснованного режима подачи ТАВ для тушения пожаров класса Е. Решение такой задачи связано с аналитическим описанием математическими зависимостями процессов взаимодействия капельной и паровой сред (испарение, конденсация, дробление и коагуляция) как в самих струях ТАВ, так и в соплах стволов для их получения (сопло Лаваля, сопло с острой кромкой или, сопло с удлинённой проточной частью). При этом от учёта всех физических особенностей получения струй ТАВ из недогретой воды зависит точность разрабатываемого метода и применимость его на практике. Чрезмерное упрощение модели может привести к неприемлемой погрешности и неприменимости метода в целом. Вместе с тем учёт всех многообразных физических процессов, протекающих при получении и использовании струй ТАВ для тушения пожаров класса Е, в совокупности с задачей нахождения оптимального режима пожаротушения может привести к очень громоздким аналитическим выражениям, моделирование которых численными методами окажется невозможным или весьма затруднительным. Таким образом, от правильности поставленной задачи и создания упрощённой модели, с заданной точностью описывающей процесс тушения пожаров класса Е струями ТАВ, во многом зависит успешное достижение результата.
Оптимальной задачей может стать анализ применимости штатных стволов АПМ для тушения пожаров класса Е при различных напряжениях ЭУ и нахождение безопасных расстояний подачи ТАВ на ЭУ. При этом в качестве исходных параметров работы УПТАВ должны рассматриваться её стандартные режимы подачи недогретой воды [7]:
1. ТАВ 40:
- расход Q от 0,4 до 2,0 л/с;
- температура Tот 165 до 195 °С;
- избыточное давление P от 1,3 до 2,0 МПа.
2. ТАВ 100:
- расход Qот 0,4 до 1,38 л/с;
- температура Tот 165 до 280 °С;
- избыточное давление P от 1,3 до 6,0 МПа.
Полученные результаты позволят совершенствовать оборудования АПМ в контексте применимости для поставленной задачи.
Комплексное сопротивление струй ТАВ зависит от их эффективных параметров: удельного сопротивления рэф, относительной диэлектрической проницаемости еэф и относительной магнитной проницаемости ц . Дальнейшее исследование должно быть сосредоточено на нахождении именно этих параметров, для описания которых необходимо найти аналитические выражения, поэтому следует проанализировать состав и структуру струй ТАВ, а также способ их получения, например, с помощью сопл Лаваля.
Некоторые аспекты получения из недогретой воды гетерогенных двухфазных парокапельных потоков с помощью сопл Лаваля описаны в пособиях [4, 5, 8]. В случае с ТАВ недогретая вода по рукавным линиям высокого давления поступает к суживающейся части сопла Лаваля, которым оконечен, например, ствол-пика (рис. 1).
Протекая по рукавам высокого давления, в не-догретой воде на примесях и растворённом газе, возникают центры зародышеобразования пузырьков пара. До выхода из суживающейся части сопла Лаваля недо-гретая вода остаётся в жидком состоянии, так как из-за высокого давления в рукавной линии зародившиеся пузырьки пара, не достигнув критического сечения, в основном схлопываются. После достижения расширяющейся части сопла, вдоль его оси, образуется жидкое ядро метастабильной воды, насыщенное растущими пузырьками пара. В расширяющейся пристенной области сопла на шероховатостях стенок возникает кипение и парообразование. Получившийся насыщенный пар быстро остывает и в некотором количестве конденсируется. Сконденсированная таким образом вода имеет свойства дистиллированной жидкости, наличие ионов и примесей в которой минимально. Вместе с тем центральное жидкое ядро, насыщенное пузырьками пара, превращается в поток водяной пены, при разрушении пузырьков которой образуются не только пар, но и более крупные капли воды. Эти капли воды обладают повышенной проводимостью (из-за присутствия ионов растворённых веществ) по сравнению с каплями, образовавшимися из насыщенного пара в процессе его конденсации. Длина центрального вспененного ядра зависит от степени недо-грева воды и может выходить за срез сопла, в случае
если его расширяющаяся часть короткая (как в случаях со стволами для подачи ТАВ). Таким образом, на выходе из сопла ствола возможно получить паро-капельный поток с бимодальным объёмным (или массовым) распределением капель ТАВ (рис. 2).
Первая мода - рисунок 2 радиус частиц воды от 0,01 до 0,4 мкм - с более мелкими каплями образуется в результате конденсации насыщенного газообразного пара, а вторая мода - рисунок 2 радиус частиц воды от 0,4 до 10,0 мкм - в результате дробления разрушающейся пленки воды вспененного центрального ядра. Для других типов насадков стволов или других параметров воды перед стволом объёмное распределение капель будет отличаться от данных, показанных на рисунке 2. Как паровая, так и водяная моды плотности распределения частиц носят случайный характер и могут быть аналитически описаны дифференциальным объёмным логарифмически нормальным или гамма-распределением [9, 10]. Суммирующая кривая дифференциального распределения для обеих мод будет иметь вид:
gE (lg (г)) = (1 - a) gx (lg (г)) + ag2 (lg (r)), (1)
где g1 (lg(r)) - объёмная плотность распределения капель паровой фазы, зависящая от логарифма радиуса капель; g2 (lg (г)) - объёмная плотность распределения капель водяной фазы, зависящая от логарифма радиуса капель; r - радиус капли, мкм; a - коэффициент, показывающий, насколько вторая мода больше первой.
Получившееся бимодальное распределение верно при условии нормирования на единицу, а в случае с плотностью распределения частиц - на 100 % (см. рис. 2). Таким образом можно получить следующее выражение:
¡дМФЫг))^-
(2)
На рисунке 2 дифференциальная плотность распределения представлена в виде гистограммы
90-
40
10 0
20 -е-
15
10
0,1
1
Радиус частиц, мкм
10
Рисунок 1. Насадок ствола-пики с укороченным соплом Лаваля и коническая форма струи ТАВ [3]:
а1 - угол расточки суживающейся части; а2 - угол расширяющейся части; б0 - диаметр сопла
Рисунок 2. Гистограмма и интегральная кривая объёмного распределения капель сконденсированного пара и воды по размерам для сопла Лаваля при температуре недогретой воды перед соплом 170 °С
25
80
50
30
Q 20
5
0
зелёного цвета, а интегральная - в виде кривой красного цвета. При этом шкала по оси ординат представлена в логарифмическом масштабе, т. е. с каждым делением приращение радиуса капель увеличивается на величину 1,195.
Гистограмма дифференциального и кривая интегрального объёмного распределения капель по размерам в струях ТАВ получены в результате исследования на экспериментальной установке струйных течений на уменьшенных моделях сопла Лаваля и сопла с острой кромкой в масштабном эксперименте [11, 12]. Измерения производились на расстоянии 0,6 м от среза сопл, при этом объёмное распределение (без учёта логарифмической шкалы диаметров капель) соответствует формуле
. 100%-G, (/g(r))
V \ полн./ / 100% .
g{r)=-—J-u—, J r3f(r)d(r)
V (1 )
Л /i \ _ _г В./ V* ПОЛ Hi/_
v[nomi>~VJi )+v (i л'
В .1 V ПОЛН J / * п./ \ полнл /
к (/ ) = YV (1 X
гстр\ ПОЛН-i/ F СИСТ./ V пшни /
Принимая во внимание математические формулы (1-6), а также величину интегрального объёмного распределения капель б (1д (г)), нормированную на 100 %, будет справедливым выражение (рис. 2)
(3)
где /(г) - счётное распределение капель по радиусам.
При переносе результатов экспериментов на реальные струи ТАВ необходимо увеличить геометрические размеры на масштабный коэффициент к. Гистограмма дифференциального и кривая интегрального распределения (см. рис. 2) не дают представления
0 механизме физического взаимодействия паровой и капельной фаз в струе ТАВ. Они лишь показывают объёмное распределение капель по размерам и их соотношения в некоем элементарном объёме, середина центральной оси которого находится на расстоянии
1 =0,6 к метров от среза сопла ствола. Тогда
полнJ ' г г "
объёмная концентрация капель водяной фазы может быть найдена из выражения
(4)
где VBj(l .) - объём всех капель водяной фазы (вторая мода) на расстоянии от среза сопла ствола /полн;, м3; V .(l ) - объём всех капель и газа паровой фазы
п.^ полн.^ " т
(первая мода) на расстоянии от среза сопла ствола l . , м3.
полнJ 1
Учитывая, что полный объём системы равен V . (l ) = V .(l .) + V . (l .), (5)
сист.^ полн.^ в.^ полн.^ п.^ полн.^' 4 /
тогда объём всей конической струи ТАВ будет соответствовать сумме элементарных объёмов по всей длине l :
' ' ппли
(5)
где G(lg (r)) - нормированное интегральное объёмное распределение пара первой моды.
Для случая, показанного на рисунке2, G1 (lg (r)) = = 90 %, а C(l ) = 0,1.
1 vv полн.^ 1
С учётом скорости каждой отдельной капли в струе ТАВ, её импульса, возможных процессов испарения, конденсации, коагуляции и дробления можно предположить изменение процентных соотношений объёмного содержания капель с ростом расстояния от среза сопла ствола и до поверхности ЭУ, поэтому, концентрация капель в струе будет зависеть от расстояния C ~ l . Установить эту зависимость можно
v полн J
опытным путём, а найденное в соответствии с рисунком 2 и выражением (7) значение Cv(l .) будет являться реперной точкой. Если перечисленные процессы в струе ТАВ имеют пренебрежимо малое влияние на концентрацию капель, то зависимость C от l будет иметь линейный характер и меж-
v полн
фазными взаимодействиями можно пренебречь. При нелинейном характере зависимости, т. е. не зависящей от иконичности» струй ТАВ, этими процессами пренебрегать нельзя.
Основание полагать, что концентрация капельной фазы в общем объёме струи ТАВ имеет нелинейный характер, даёт тот факт, что струя имеет неоднородности. В ней можно выделить, как минимум, три участка:
I участок - содержит центральное ядро вспененной пузырьками пара метастабильной воды, который может выходить на определённое расстояние за сопло ствола для подачи ТАВ и иметь повышенную электрическую проводимость. Этот участок образует электропроводящий кластер, связи отдельных пузырьков в котором определяют пониженное эффективное удельное сопротивление рэф струи ТАВ. На этом участке объёмная концентрация водяных капель будет выше концентрации пара Cv ~ 0,99 - 0,3;
II участок - содержит отдельно существующие капели воды в несущей среде насыщенного мокрого пара, импульсы капель которого позволяют сохранять их относительно прямолинейное движение и говорить о ламинарности потока. Объёмная концентрация водяных капель Cv на этом участке составляет ~ 0,3 - 0,02;
III участок - представляет этап разрушения струи, где скорость капель падает на столько, что самые крупные из них коагулируют и выпадают под действием силы тяжести на подстилающую поверхность (земля), а остальные теряют скорость и закручиваются в турбулентный поток, который даёт возможность окружающему воздуху проникнуть в струю ТАВ, разбавляя её. Объёмная концентрация водяных капель Cv на этом участке составляет < 0,02.
Для упрощения общей картины, описывающей состояния потока капель в струе ТАВ по всему
её объёму (от среза сопла ствола до поверхности ЭУ под напряжением), его (поток) можно считать установившимся течением. В этом квазистационарным потоке основные интегральные величины: вектор скорости , давление р(, плотность р(, энтропия -не зависят от времени, а являются только функциями расстояния 1, согласно работе [13], поэтому их производные по времени равны нулю:
dt dt dt dt
Воспользовавшись положениями из учебника [14], можно рассмотреть квазистационарность струй ТАВ при нахождении их в низкочастотных электромагнитных полях и при протекании гармонического тока частотой 50 Гц.
Размер капель в несущей паровой среде много больше молекулярно-кинетических размеров, что позволяет говорить о сплошности среды, и поэтому можно пренебречь влиянием расстояния между молекулами и длиной их свободного пробега на эффективные электрические параметры струй ТАВ. Кроме
С
того, длина волны X ~ -р- в воздушной диэлектрической среде, окружающей струю ТАВ и соответствующая частоте электромагнитного поля F (частота переменного тока ЭУ), велика по сравнению с длиной 1 струи ТАВ:
полн Г J
F«
L
(8)
где X - длина волны электромагнитного поля на месте тушения ЭУ, м; F - частота электромагнитного поля, Гц; Ссв ~ 3-108 - скорость света, м/с.
Для ЭУ частотой F = 50 Гц условие (8) выполняется, поэтому электромагнитное поле и токи, протекающие на месте тушения ЭУ можно считать квазистационарными и пренебречь молекулярными и атомарными эффектами влияния на эффективные электрические параметры. Эти особенности, безусловно, проявятся на больших частотах (на несколько порядков больше частоты 50 Гц переменного тока промышленных ЭУ), а эффективные электрические параметры приобретут зависимость от частоты и комплексный характер.
Размер капель в струе ТАВ много меньше расстояний, на которых макроскопические или осред-ненные параметры двухфазной среды существенно изменяются. Таким образом, можно рассматривать электрическое поле в струе ТАВ, усреднённое по объёму, большим по сравнению с масштабами даже самых больших капель. По отношению к такому среднему полю смесь пара и капель воды в струях ТАВ является однородной и изотропной средой и может характеризоваться определёнными осредненными эф-
фективными электрическими параметрами: удельным сопротивлением рэф, относительная диэлектрическая проницаемость еэф и относительной магнитной проницаемости ц .
Таким образом, при нахождении осредненных эффективных электрических параметров рэф , еэф , ц . будет справедлива модель протекания постоянного тока через усечённый конус, состоящий из смеси сферических проводящих включений разного диаметра в непроводящей среде. Концентрация проводящих включений снижается вдоль центральной оси усечённого конуса: от его усечённой части до основания. Распределение проводящих сферических включений по объёму конуса зависит не от времени (квазиста-ционарно), а от расстояния от усечённой вершины до основания.
В настоящей статье принимается, что усечённый конус - струи ТАВ [3], проводящие сферические включения разного диаметра: капли воды, образовавшиеся в результате разрушения пузырьков, вспененного метастабильного ядра струи ТАВ. Эти капли воды обладают повышенной проводимостью, так как насыщенны ионами примесей. Распределение этих капель по диаметрам описано гистограммой второй моды (рис. 2). Непроводящей средой является паровая фаза, состоящая как из пара в газообразной форме, так и из сферических капель воды, образовавшейся в результате конденсации насыщенного пара, вышедшего из лопнувших пузырьков вспененной метаста-бильной воды. Распределение паровой фазы описывается гистограммой первой моды. Несущую паровую фазу можно считать диэлектриком из-за дистиллированного состава воды, почти не содержащей примесей и ионов.
Такие признаки, как: квазистационарность; наличие проводящих включений, образующих трёхмерную сетку в непроводящей среде; наличие проводящих кластеров - позволяют говорить о струях ТАВ и о протекающем по ним токе как о перколя-ционной системе, а электрические процессы описывать с помощью теории протекания (перколяции) [15, 16]. В работах [17, 18, 19] рассмотрены электрофизические свойства неупорядоченных перколяционных систем. Струи ТАВ являются неупорядоченной двухфазной системой, в которой дисперсная фаза содержит проводящие включения (капли воды) с проводимостью ств и нормированной к единице объёмной концентрацией С , а дисперсионная фаза является непроводящей средой (насыщенный пар как в газообразной форме, так и в виде конденсированных капель дистиллята) с проводимостью стп и объёмной концентрацией (1 - С). Наличие в струе ТАВ участка I с ядром вспененной паром воды говорит о присутствии пер-коляционного перехода с резким скачком проводимости, который наступает при некой критической концентрации С*р. При этом дисперсная и дисперсионные фазы в гетерогенной струе ТАВ как бы меняются местами, т. е. несущей проводящей средой для непроводящих пузырьков пара становится
вспененная вода. Исходя из этого, на участках струи ТАВ с разной концентрацией Cv (участки I; II и III) аналитические выражения для эффективных электрических параметров будут различными. Однако на каждом из отдельных участков (например, участок II) формулы для определения эффективного удельного сопротивления рэф, эффективной относительной диэлектрической проницаемости еэф и эффективной относительной магнитной проницаемости цэф. будут иметь схожую идентичную структуру. Такое предположение подтверждается схожестью уравнений Максвелла, описывающих квазистатические электрические и магнитные поля в установившемся двухфазном потоке струи ТАВ [14]:
выражение для эффективной электрической проводимости аЭф=^—, которое в соответствии с публикациями [17, 18, 19] будет иметь вид
эф V полн
Ч
(ЗСД/полн)-1)ав + (2-ЗСД/ПШ1Н))ап
+
(10)
■А/((ЗСу(/полн)-1)ав + (2-ЗСД/полн))ап)2 + 8авоп
div j = 0
rotE = 0 divB = 0
Е и • rot Н = 0,
У_Рэф
D = Ee эф
где E - напряжённость электрического поля, В/м; j -плотность электрического тока, А/м2; H - напряжённость магнитного поля, А/м; D - электрическая индукция, Кл/м2; B - магнитная индукция, Тл.
С учётом зависимости концентрации проводящей фазы Cv от полной длины струи /полн эффективные электрические параметры будут также зависимы от длины струи ТАВ от среза сопла ствола до ЭУ и равны:
еэф ('полн ) — f (еп > ев > Сг ('полн )) М-эф.; ('полн) = /(М* П > J^B у ^V (^полн )) >
рэф (4олн)=/ (Рп; рв; Су (/полн))
Выражение (10) называется формулой Бруг-гемана и получено с помощью метода эффективной среды, оно лишь было дополнено, учитывая зависимости от 1полн.
Для нахождения эффективной электрической проводимости на участке III струи ТАВ со средней концентрацией капель Cv < 0,02 может быть использована формула Максвелла [14, 18, 19]:
°эф('полн) = °п 1 + ЗС„('полн)
' 2а „ + а.
(9)
Участок I струи ТАВ характеризуется наличием перколяционного перехода и появлением электропроводящего ядра вспененной метастабильной воды с непроводящими паровыми пузырьками, т. е. дисперсная и дисперсионные фазы гетерогенного потока на этом участке меняются местами при Cv ~ 0,99 - 0,3. Выражение для определения эффективной проводимости «для плохо проводящих включений в хорошо проводящей матрице» предложено на основе собственных выводов А. А. Снарским [19]:
где еп и ев - диэлектрическая проницаемость, соответственно, пара и воды в струе ТАВ; цп и цв - магнитная проницаемость, соответственно, пара и воды в струе ТАВ; рп и рв - удельное сопротивление, соответственно, пара и воды в струе ТАВ.
В системе уравнений (9) величины удельных сопротивлений, диэлектрических и магнитных прони-цаемостей для водяной и паровой фаз струй ТАВ могут быть найдены как опытным путём, так и из справочной литературы. Аналитическое выражение для объёмной концентрации Cv (l ) может быть получено путём математического моделирования или в результате опытных исследований.
Так как структура аналитических выражений в формуле (13) абсолютно одинаковая (участок II -струи ТАВ со средней концентрацией капель Cv ~ ~ 0,3 - 0,02), то достаточно привести аналитическое
эф
('полн )
- 2стп + ЗС„ ('пол„ )(оп - <тв)'
Таким образом, задача нахождения эффективного удельного сопротивления рэф , эффективной относительной диэлектрической проницаемости еэф и эффективной относительной магнитной проницаемости цэф.. сводится к определению объёмной концентрации С(' ). Эта зависимость может быть определена как с помощью математического моделирования (теоретический метод), так и при проведении эксперимента (эмпирический метод). Результаты этих исследований позволят определить возможность применения струй температурно-активированной воды для тушения электроустановок под напряжением до и свыше 1 000 Вольт.
ЛИТЕРАТУРА
1. Роенко В. В., Храмцов С. П., Сегаль М. Д., Краснов С. М. Объёмный способ пожаротушения кабельных сооружений темпера-турно-активированной водой // Проблемы безопасности и чрезвычайных ситуаций. 2017. № 1. С. 40-50.
2. Чистяков Т. И. Применение теории цепей при анализе процессов тушения электроустановок под напряжением на объектах энергетики // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2016. № 4. С. 13-21. 001: 10.25257/РБ.2016.4.13-21
3. Чистяков Т. И. Влияние геометрических параметров струй температурно-активированной воды на комплексное сопротивление при тушении пожаров класса Е // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2017. № 2. С. 12-21. 001: 10.25257/РБ.2017.2.12-21
4. Дейч М. Е., Филиппов Г. А. Газодинамика двухфазных сред. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоиздат, 1981. 472 с.
5. Барилович В. А. Основы термогазодинамики двухфазных потоков и их численное решение. Учебное пособие. СПб.: Политехнический университет, 2009. 425 с.
6. Великанова Ю. В. Гидромеханика многофазных сред. Учебное пособие. Самара: Самарский государственный технический университет, 2009. 166 с.
7. Чистяков Т. И., Храмцов С. П., Пряничников А. В., Кар-мес А. П. Конструкция, функционирование и аспекты применения автомобиля пожарного многоцелевого. Учебное пособие / под общ. ред. В. В. Бачкала. Волгодонск: Волгодонский учебный центр ФПС МЧС России, 2015. 204 с.
8. Прокопов М. Г. Теплофизическое моделирование рабочего процесса жидкостно-парового струйного компрессора: дис. ... канд. тех. наук: 05.05.14 / Прокопов Максим Геннадьевич. Сумы: Сумский государственный университет, 2011. 188 с.
9. Архипов В. А, Усанина А. С. Движение частиц дисперсной фазы в несущей среде. Учебное пособие. Томск: Томский государственный университет, 2014. 252 с.
10. Коузов П. А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельчённых материалов. 3-е изд., перераб. Л.: Химия, 1987. 264 с.
11. Алексеев В. Б., Залкинд В. И., Зейгарник Ю. А, Марини-чев Д. В., Низовский В. Л., Низовский Л. В. Распыление перегретой воды: Практика исследования сложных дисперсионных структур // Теплофизика высоких температур. 2014. Т. 52, № 3. С. 456-462. 001: 10.7868/Э004036441402001Х
12. Алексеев В. Б., Залкинд В. И., Зейгарник Ю. А, Марини-чев Д. В., Низовский В. Л., Низовский Л. В. Теплофизические и инженерные проблемы мелкодисперсного распыла и впрыска воды в компрессор ГТУ // Теплофизика высоких температур. 2015. Т. 53, № 2. С. 221-224. 001: 10.7868/Э0040364415020027
13. Овсянников Л. В. Лекции по основам газовой динамики. Учебное пособие. 2-е изд., доп. М.; Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 336 с.
14. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теоретическая физика. Учебное пособие для студентов физических специальностей университетов: В 10 т. Т. 8: Электродинамика сплошных сред. Серия «Теоретическая физика» / отв. ред. Л. П. Питаевский. М.: Наука, 1988. 652 с.
15. Эфрос А. Л. Физика и геометрия беспорядка. М.: УРСС, 1994. 184 с.
16. Тарасевич Ю. Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы. Учебное пособие. М.: УРСС, 2002. 112 с.
17. Антонов А. С., Батенин В. М., Виноградов А. П., Кала-чев А. А, Кулаков А. В., Лагарьков А. Н., Матыцин С. М., Панина Л. В., Розанов К. Н., Сарычев А. Н., Смычкович Ю. Р. Электрофизические свойства перколяционных систем. Монография / под ред. А. Н. Лагарькова. М.: ИВТАН. 1990. 120 с.
18. Снарский А. А, Женировский М. И. Перколяционные эффекты в термоэлектрических неупорядоченных двухфазных средах // Термоэлектричество. 2007. № 3. С. 65-81.
19. Снарский А. А. Знал ли Максвелл о пороге протекания? (К пятидесятилетию создания протекания) // Успехи физических наук. 2007. Т. 177, № 12. С. 1341-1344. 001: 10.3367/УРЫг.0177.200712д.1341
Материал поступил в редакцию 22 декабря 2017 года.
Timur CHISTYAKOV
Volgodonsk Training Center of the Federal Fire Service,
Volgodonsk, Russia
E-mail: timurvdonsk@mail.ru
Sergei KHRAMTSOV
Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Associate Prof State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: oni-academi-gps@yandex.ru
Vladimir ROYENKO
Doctor of Philosophy in Engineering Sciences, Professor State Fire Academy of EMERCOM of Russia, Moscow, Russia E-mail: piroemail@bk.ru
INFLUENCE OF ELECTROPERCOLATION PARAMETERS OF TEMPERATURE-ACTIVATED WATER SPRAYS ON THEIR COMPLEX IMPEDANCE WHEN EXTINGUISHING CLASS E FIRES
ABSTRACT
Purpose. The article analyzes temperature-activated water sprays used for live electrical installations extinguishment (class E fires). The main problem of ensuring safe class E fires extinguishment by means of temperature-activated water sprays is inability of reliable determination of leakage currents along a spray by known methods.
Methods. For solving this problem a method of analyzing leakage currents along a temperature-activated water spray based on the theories of electrical circuit, electrical engineering and percolation is proposed. It is suggested finding the leakage current along a temperature-activated water spray having regard to complex impedance and effective electrical parameters of heterogeneous two-phase vapor-droplet flows of temperature-activated water sprays.
Findings. The analytical expressions based on percolation theory findings for determining the effective electrical parameters of temperature-activated water sprays in their dependence to steam and condensate phase concentrations are given.
Research application field. The obtained analytical expressions will help connect the leakage current along a temperature-activated water spray with its structure in a heterogeneous two-phase flow and the distance from a hose nozzle to live electrical installation surface and that will determine safe distances for class E fires extinguishment.
Conclusions. The prospectivity of this method consists in obtaining a mechanism of theoretical description of the electric processes occurring on class E fires extinguishment site and physical processes in heterogeneous two-phase flows of extinguishing agents such as temperature-activated water sprays, finely-divided water sprays, powders.
Key words: temperature-activated water, percolation theory, effective environment, heterogeneous stream, quasi steady state, conductivity, dielectric permittivity, magnetic permittivity, electrical installation.
REFERENCES
1. Roenko V.V., Khramtsov S.P., Segalj M.D., Krasnov S.M. Total flooding of cable structures with temperature activated water. Problemy bezopasnosti i chrezvychainykh situatsii, 2017, no. 1, pp. 40-50. (in Russ.).
2. Chistyakov T.I. Circuit theory use at extinction process analysis of live electrical installations at power engineering facilities. Pozhary i chrezvychainye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiia, 2016, no. 4, pp. 13-21. DOI: 10.25257/FE.2016.4.13-21 (in Russ.).
3. Chistyakov T.I. Influence of geometrical dimensions of temperature-activated water sprays on complex resistance at extinguishment of class E fires. Pozhary i chrezvychainye situatsii: predotvrashchenie, likvidatsiia, 2017, no. 2, pp. 12-21. DOI: 10.25257/ FE.2017.2.12-21 (in Russ.).
4. Deich M.E., Filippov G.A. Gazodinamika dvukhfaznykh sred. 2-e izd., pererab. i dop. [Gas dynamics of two-phase media. 2nd, rev. and enl. ed.] Moscow, Energoizdat Publ., 1981. 472 p.
5. Barilovich VA. Osnovy termogazodinamiki dvukhfaznykh potokov i ikh chislennoe reshenie [The fundamentals of thermogasdynamics of two-phase flows and their numerical solution]. Saint Petersburg, Politekhnicheskii universitet Publ., 2009, 425 p.
6. Velikanova Yu.V. Gidromekhanika mnogofaznykh sred [Hydromechanics of multiphase media]. Samara, Samara State Technical University (Samara Polytech) Publ., 2009. 166 p.
7. Chistiakov T.I., Khramtsov S.P., Prianichnikov A.V., Karmes A.P., Fedyaev V.D. Konstruktsiia, funktsionirovanie i aspekty primeneniia avtomobilia pozharnogo mnogotselevogo [The construction, operation and aspects of application fire multipurpose vehicle]. Volgodonsk, Volgodonsk Training Center of the Federal Fire Service Publ., 2015. 204 p.
8. Prokopov M.G. Teplofizicheskoe modelirovanie rabochego protsessa zhidkostno-parovogo struinogo kompressora [Thermophysical modeling of the working process of liquid-steam jet compressor. PhD in Engin.Sci. diss.]. Sumy, Sumy State University Publ., 2011. 188 p.
9. Arkhipov V.A., Usanina A. S. Dvizhenie chastits dispersnoi fazy v nesushchei srede [Movement of dispersed phase particles in the carrier medium]. Tomsk, Tomsk State University Publ., 2014. 252 p.
10. Kouzov P.A. Osnovy analiza dispersnogo sostava promyshlennykh pylei i izmel'chennykh materialov. 3-e izd., pererab. [Fundamentals of the analysis of the disperse composition of industrial dusts and crushed materials. 3rd, rev. ed.]. Leningrad, Khimiia Publ., 1987. 264 p.
11. Alekseev V.B., Zalkind V.I., Zeigarnik Yu.A., Marinichev D.V., Nizovskii V.L., Nizovskii L.V. Atomization of superheated water: Practice of investigation of complicated disperse systems. Teplofizika vysokikh temperature, 2014, vol. 52, no. 3. pp. 456-462. DOI: 10.7868/S004036441402001X (in Russ.)
70
© Chistyakov T., Royenko V., Khramtsov S., 2018
12. Alekseev V.B., Zalkind V.I., Zeigarnik Y.A., Marinichev D.V., Nizovsky V.L., Nizovsky L.V. On the nature of bimodal drop distribution over sizes under superheated water atomization. Teplofizika vysokikh temperature, 2015, vol. 53, no. 2, pp. 221-224. DOI: 10.7868/ S0040364415020027 (in Russ.).
13. Ovsiannikov L.V. Lektsii po osnovam gazovoi dinamiki. 2-e izd., dop. [Lectures on the fundamentals of gas dynamics. 2nd, enl. ed.] Moscow, Izhevsk, Institut komp'iuternykh issledovanii Publ., 2003. 336 p.
14. Landau L.D., Lifshits E.M. Teoreticheskaia fizika. V 10 t. T. 8 "Elektrodinamika sploshnykh sred". Seriia "Teoreticheskaia fizika' [Theoretical Physics. In 10 vol. Vol. 8 "Electrodynamics of continuous media". Series "Theoretical Physics". Ed. by. L.P. Pitaevskii]. Moscow, Nauka Publ., 1988. 652 p.
15. Efros A.L. Fizika i geometriia besporiadka [Physics and Geometry of Disorder]. Moscow, Editorial URSS Publ., 1994, 184 p.
16. Tarasevich Yu.Yu. Perkoliatsiia: teoriia, prilozheniia, algoritmy [Percolation: theory, applications, algorithm]. Moscow, Editorial URSS Publ., 2002. 112 p.
17. Antonov A.S., Batenin V.M., Vinogradov A.P., Kalachev A.A., Kulakov A.V., Lagarkov A.N., Matytsin S.M., Panina L.V., Rozanov K.N., Sarychev A.N., Smychkovich Yu.R. Elektrofizicheskie svoistva perkoliatsionnykh system [Electrophysical properties of percolation systems. Ed. by A.N. Lagarkov]. Moscow, Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences Publ., 1990. 120 p.
18. Snarsky A.A., Zhenirovsky M.I. Percolation effects in thermoelectric disordered two-phase media (Critical review). Termoelektrichestvo, 2007, no. 3, pp. 65-81. (in Russ.).
19. Snarsky A.A. Did Maxwell know about the percolation threshold? (on the fiftieth anniversary of percolation theory). Uspekhi fizicheskikh nauk, 2007, vol. 177, no. 12, pp. 1341-1344. DOI: 10.3367/UFNr.0177.200712g.1341 (in Russ.).
