CC BY
7
Воздушно-тепловое моделирование
в работе систем пожарной сигнализации
Скляров К. А., Сушко Е. А., Переславцева С. А.,
Воронежский государственный архитектурно-строительный университет,
г. Воронеж
Уровень пожарной опасности производственных объектов за прошедший период повысился в несколько раз, что не нашло адекватного отражения в новых методиках и нормативной базе.
Процесс распространения взрывопожароопасных вредных веществ тяжелее воздуха в производственных помещениях с незначительными удельными
-5
теплоизбытками (до 30 Вт/м ) остается все еще мало изученным. Проблема совершенствования метода расчета установки газоанализаторов в производственных помещениях с выделениями взрывопожароопасных веществ тяжелее воздуха от технологического оборудования является весьма актуальной, так как позволит улучшить противопожарную защиту и одновременно снизить степень риска работающего персонала.
Рассмотрим построение математической модели полей концентраций нестационарных источников вредностей, учитывающей неравномерность распределения скоростей воздуха и коэффициентов турбулентного обмена по объемам помещений.
Запишем уравнение турбулентного обмена для источника вредностей:
дс дc дc дc д „ дc д 4 дc д 4 дc ч /1Ч
— + и— + V— + w— = — а — + — А— +—А— = I (-, У,Ч, (1)
дг дх ду дz дх дх ду ду дz дz
где и, V, w - скорость воздушного потока по направлениям; Ас - коэффициенты турбулентного обмена; с - концентрация взрывопожароопасных веществ в воздухе.
Решение уравнения (1) можно записать в векторно-матричной форме:
= Щ+Г (?). (2)
Матрица приведенных кратностей К описывает массообмен в изучаемом объеме. Каждому способу и величине воздухообмена соответствует своё распределение воздушных потоков и коэффициентов турбулентного обмена, а следовательно, и своя постоянная матрица К. Начальным условием для решения системы является: ? = 0, Q = Q0, где Q0 - столбец, составленный из начальных концентраций в объемах, т. е. из значений концентраций в начальный момент времени ?0. Вектор-функция F (?) описывает интенсивность выделения вредностей технологическим оборудованием с учетом размещения источников вредностей в вентилируемом помещении.
Математическую модель динамики полей концентраций нестационарных источников можно получить, если для исследуемого помещения или системы сообщающихся между собой помещений известен коэффициент неравномерно-
сти концентрации по высоте помещения, определяемый по формуле:
л = (3)
с, - С„ 4 7
-5
где Сг - концентрация срабатывания газоанализатора, мг/м ; Сп - концентрация
-5
в приточном воздухе, мг/м ; Св - концентрация в удаляемом из помещения воз-
-5
духе, мг/м .
Значение коэффициента зависит от способа воздухораздачи, типа воздухораспределительного устройства, взаимного расположения приточных и вытяжных отверстий относительно источников взрывопожароопасных веществ и ряда других факторов [3]. Выразим концентрацию срабатывания газоанализаторов:
Сг = Сп + (Св - Сп)п. (4)
Рассмотрим систему из п сообщающихся между собой объемов и помещений. Допустим, что воздух может перетекать из одного помещения (объема) в другое. Составим уравнение материального баланса по вредности 1-го объема:
п п п £
2 с^Лг + 2 с] + 2А - (с, - С ) Л + С (г) Л -
м у=1 у=1 1и (5)
^сЬ ж -2с Г, Лг = У1Лс1.
в] 1] ^^ 11] 11
1=1 1=1
-5
где св] - концентрация вредности в верхней зоне у-го помещения, мг\м ; су- -концентрация вредности в рабочей зоне у-го помещения, мг\м3; с -
-5
концентрация вредности в ¡-м помещении, мг/м ; 1™ -приток из верхней зоны
3 3
у-го помещения, м /с; Ц} - вытяжка из верхней зоны ¡- го помещения, м /с; Ь, -
-5
вытяжка из рабочей зоны ¡-го помещения, м /с; Ау - средний коэффициент турбулентного обмена помещений ¡ и у, м2/с; 8у - площадь проема между помеще-
Л
ниями ¡ и у, м ; Ьв - расстояние между центрами объемов помещений ¡ и у, м;
G (^ - количество вредностей, выделяемых источником вредностей, мг/с.
В левой части уравнения (5) находятся члены, определяющие количество вредности, поступающее в помещение с приточным воздухом, переносимое турбулентным обменом из соседних помещений, выделяющееся из оборудования и удаляемое с приточным воздухом за время Ж. Разность поступления и удаления вредности за время Ж равна изменению его содержания. Подставляя значение Сг из выражения (4) в уравнение (5) получим:
2[с, +(с, -с„ЖыЛ +
ё=1
п п £ п
+2 с1ЦЖ + 2 А^ (с - с ) л + О (гЛ - 2 [с + (с,- сп, )Ль, ];
1=1 1=1 11 1=1
п
-2 с]св=ужс,. (6)
1=1
Прогнозируя поступление взрывопожароопасного вещества из оборудования и отношение массы вышедшего вещества к максимально возможному, определим время выхода V.
V
е о лх_1
%
\
% +1
2 1_лм
ц 1п
ЯТ
\
м
(7)
где V - объем оборудования; F - площадь сечения отверстия аварийного истечения; р - коэффициент расхода отверстия; х - показатель адиабаты; Я - газовая постоянная; Т - температура взрывопожарной смеси; ДМ - масса вышедшего взрывопожароопасного вещества; М - масса максимально возможного взры-вопожароопасного вещества в объеме оборудования.
Математическая модель динамических процессов разработана для случая, когда известен коэффициент неравномерности концентрации по высоте. Дифференциальное уравнение материального баланса по газовыделениям при концентрации взрывопожароопасных веществ в приточном воздухе, равной нулю, имеет вид:
м ^) dt - сеье = улс (8)
■ ь С л м (t) /ПЛ
и м+ ь= —, (9)
V V
мЬ)-МУ пт
имеем л = — -, (10)
ьв—в
где М - интенсивность выделения взрывопожароопасных веществ источни-
-5
ком, мг/с; V - вентилируемый объем помещения, м ; Ьв - объемный расход уда-
-5
ляемого воздуха, м /ч; —в - концентрация взрывопожароопасных веществ в уда-
-5
ляемом воздухе, мг/м .
С помощью натурных исследований выявить истинную картину распределения взрывопожароопасных веществ затруднительно, так как невозможно создать аварийную ситуацию для проведения натурных исследований. За натурными испытаниями остается лишь огромная роль проверочного звена. Метод воздушно-теплового моделирования свободен от перечисленных недостатков натурного эксперимента. Он дает возможность производить экспериментальные работы с исключением второстепенных и регулированием основных факторов. Путем моделирования можно с большой точностью установить степень влияния любого единичного фактора на всю работу систем пожарной сигнализации.
Библиографический список
1. Сушко, Е. А. Промышленная безопасность при проектировании систем пылеудаления дробильных производств / Е. А. Сушко, С. П. Аксенов // Научный вестник Воронеж. гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. — 2008. — № 2 (10). — С. 162—173.
2. Колодяжный, С. А. Организация воздухообмена в компрессорных химических производств / С. А. Колодяжный // Научно-технические проблемы систем теплоснабжения, вентиляции, водоснабжения и водоотведения: межвуз. науч. сб. — Воронеж: ВГАСУ, 2002. — С. 147—149.
3. Потапова, С. О. Определение зависимости диаметра патрубка и расхода
-1
отсасываемого воздуха от конструктивных размеров технологического оборудования / С. О. Потапова, К. А. Скляров, О. Н. Филатова // Научный вестник Воронеж. гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. — 2010. — № 4. — С. 146—150.
4. Скляров, К. А. Расчет параметров промышленной безопасности местной вентиляции производственных помещений / К. А. Скляров, С. О. Потапова, О. Н. Филатова // Научный вестник Воронеж. гос. арх.-строит. ун-та. Строительство и архитектура. — 2010. — № 4. — С. 151—155.
