Моделирование выброса и диспергирования воды сжатым газом из установок водоаэрозольного пожаротушения
Разработка метода расчета газодинамических параметров вытеснения воды - направление создания новых типов огнетушителей, используемых для тушения пожаров на промышленных объектах. Технологическая схема установки для диспергирования воды сжатым газом.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | статья |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 14.04.2019 |
| Размер файла | 2,9 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru
Размещено на http://www.allbest.ru
Одним из этапов в направлении создания новых типов огнетушителей, используемых для тушения пожаров на промышленных объектах, является исследование и разработка метода расчета газодинамических параметров вытеснения воды и его алгоритм.
Рассмотрим моделирование способов выброса и диспергирования воды сжатым газом из емкости с водой подачей вытесняющего газа из ресивера-накопителя сжатого воздуха либо из камеры сгорания патронов источника холодного газа (ИХГ) [1].
Разработанный ниже метод расчета газодинамических параметров вытеснения воды и реализующая его ЭВМ-программа протестированы сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными, изложенными в статье. Там же описаны конструкция установки, а также порядок и условия проведения испытаний, поэтому здесь ограничимся расчетной схемой установки (рисунок 1).
Рассматриваются два варианта создания запаса рабочего газа в накопителе экспериментальной установки: а) закачиванием сжатого воздуха в ресивер компрессора до заданного давления Р1(0); б) сжиганием патронов ИХГ в камере сгорания. Начальный запас сжатого газа в накопителе 1 после открытия соответствующих линий-каналов его подачи (4, 5) расходуется на «газопоршневое» вытеснение воды из емкости 2 и на вдув в одном или в двух сечениях распылителя комбинированного типа 3. Требуется вычислить время вытеснения запаса воды из емкости 2 для различных способов и режимов подачи газа по линиям 4, 5, общий расход газа и его распределение по различным линиям, а также остаточные давления в накопителе и в емкости с водой.
Рисунок 1 - Схема установки для диспергирования воды сжатым газом: 1 - ресивер-накопитель сжатого воздуха либо камера сгорания патронов ИХГ; 2 - емкость с запасом воды; 3 - распылитель; 4 - линия подвода газа к емкости с водой; 5 - линии подвода газа к распылителю; 6 - линия подачи воды к распылителю; 7- предохранительный клапан
сжатый огнетушитель газодинамический
Для вычисления осредненных по объему параметров сжатого газа в накопителе решается нестационарная система термодинамических уравнений, выражающих законы сохранения массы и энергии, с учетом уравнения состояния совершенного газа:
; (1)
; (2)
, (3)
где P1(t); 1(t); T1(t) текущие давление, плотность, температура газа в накопителе соответственно, Па, кг/м3, К;
Т1Г температура продуктов сгорания ИХГ, К;
t - время, с;
W1 объем накопителя, м3;
k1 показатель адиабаты газа;
R1 удельная газовая постоянная газа, заполняющего накопитель, Дж/кг/К;
секундный массовый газоприход при горении ИХГ, кг/с;
секундный массовый расход газа из накопителя, кг/с.
В случае задачи расчета вытеснительной системы с генерацией рабочего газа от заряда ИХГ система уравнений (1)-(3) дополняется уравнением изменения свободного объема накопителя газов - камеры сгорания патрона ИХГ в виде:
, (4)
где т плотность твердого пиротехнического вещества, кг/м3.
В задаче вытеснения сжатым воздухом в уравнении (1):
.
По результатам автономных испытаний патрона ИХГ с газопроизводительностью при нормальных условиях 40 л распределение газоприхода во времени можно приближенно представить в виде:
(5)
В условиях экспериментов с исходным запасом сжатого воздуха, накопленного в ресивере компрессора, =0.
Секундный массовый расход рабочего газа из ресивера-накопителя в емкость с водой описывается уравнением:
(t) = А1Р1(t) F4, (6)
где А1 - коэффициент истечения, с/м;
F4 минимальное поперечное сечение линии подачи газа в емкость с водой, м2.
В зависимости от режима истечения, определяемого соотношением давлений Р2(t)/P1(t), где P2(t) текущее давление в емкости с водой, коэффициент истечения вычисляется по соотношениям:
(7)
Для вычисления осредненных по свободному объему емкости с водой параметров вытесняющего газа с учетом его поступления в емкость с секундным массовым приходом = решается система уравнений, аналогичная (1)-(3),
; (8)
; (9)
. (10)
где qпот тепловые потери в емкости с водой, Дж;
Cv теплоемкость газа в емкости с водой, Дж/кг/К.
Предполагается, что процессы охлаждения и возможного изменения состава газа патронов ИХГ при взаимодействии с водой в емкости не приводят к изменению показателя адиабаты и удельной газовой постоянной, то есть k1 = k2 = k; R1 = R2 = R.
Дополнительно к формулам (8)-(10) задается уравнение изменения свободного объема W2 в процессе вытеснения воды:
; (11)
где F6 площадь минимального поперечного сечения линии подачи воды 6 (рисунок 1);
скорость воды на входе в распылитель;
в плотность воды, кг/м3;
P3 давление в полости распылителя, Па.
Секундный массовый расход газа из емкости с водой на подмешивание в распылитель по линии 5 (рисунок 1) описывается уравнением:
, (12)
где F5 площадь минимального поперечного сечения линии подачи газа 5.
Коэффициент истечения газа А2 по линии 5 определяется по формулам, аналогичным (7), но для соотношений давлений P3/P2.
Методы решения предыдущих задач общеизвестны [2, 3], и поэтому здесь они не рассматриваются. С точки зрения решения поставленной задачи в целом, принципиальное значение имеет задача расчета истечения из распылителей газожидкостной среды. Не рассматривая специфических процессов взаимодействия потока воды в трубе со струями вдуваемого сжатого газа [4, 5, 6], для расчета процесса истечения газожидкостной среды из распылителя воспользуемся методом, предложенным в [7, 8]. В этих работах использована модель адиабатического равновесного истечения газожидкостной среды и выведено барометрическое уравнение состояния для нее. В отличие от истечения несжимаемой жидкости газожидкостная среда ведет себя как псевдогаз [4]. При ее истечении наблюдаются критические явления «запирания» распылителя и зависимость давления в его выходном сечении от режима истечения.
Для расчета параметров смеси газа и воды в полости распылителя по методу [7, 8] необходимо знать объемную долю газа 3 в распылителе и давление P3. Объемная доля определяется по соотношению:
,
где объем, занимаемый массой газа, поступающей за время t = 1 c в распылитель ();
объем, занимаемый массой воды, поступающей за время t = 1 c в распылитель, где V6F6 секундный объемный приход воды в распылитель.
В первом приближении давление в полости распылителя P3 принимается равным среднему значению между давлением в емкости с водой Р2 и давлением окружающей среды Ра:
.
Метод [7, 8] позволяет определить критическое давление Ркр на выходе из распылителя по уравнению:
. (13)
Давление на выходе из распылителя Рс установится равным критическому давлению, то есть Рс = Ркр, если Ркр больше наружного давления Ра. В противном случае давление Рс установится равным наружному давлению, то есть Рс = Ра.
Секундный массовый расход газожидкостной среды через выходное сечение распылителя определяется по соотношению:
. (14)
Сравнивая расход газожидкостной среды из распылителя с суммой приходов в распылитель массы газа и воды вV6F6, поправляем давление в полости распылителя с таким расчетом, чтобы добиться равенства суммы приходов масс газа и воды расходу смеси, то есть
. (15)
Если погрешность (15) больше заданной, то есть , то необходимо повторить весь расчет с поправленным значением давления в распылителе P3.
Если погрешность (15) меньше заданной, то есть , то расчет по циклу для данного момента времени заканчивается и начинается расчет параметров для следующего момента времени.
По разработанной ЭВМ-программе, реализующей описанный в пункте 1 метод решения задачи, проведен ряд расчетов для условий экспериментов (см. сноску на с. 61) на установке (рисунок 1) с вытеснением воды из 6-литровой емкости сжатым воздухом.
Исходные данные.
Из серии экспериментов выбраны только те, которые проведены с одним вариантом конструкции распылителя, признанным лучшим.
Сжатый воздух при Р1(0) накоплен в ресивере компрессора объемом W1 = 5010-3 м3. Условные диаметры линий подачи газа и воды: d4 = 0,009 м; d5 = 0,006 м; d6 = 0,016 м; залитая порция воды в емкость - 6 л, плотность воды принята равной в = 103 кг/м3; Т1(0) = 312 К; k1 = 1,4; R = 287 Дж/кг/К.
Испытания распылителя проводились для трех режимов подачи воздуха:
1-й режим в распылитель воздух не подается;
2-й режим подается воздух по оси распылителя по линии 5 через конический насадок с диаметром выходного сечения dc = 3 мм;
3-й режим в распылитель подается воздух по линии 5 через центральный канал диаметром dс = 3 мм и через кольцевой зазор с площадью прохода Fк = 9,6 мм2 перед входным сечением конической форсунки распылителя.
В таблице 1 приведены характерные условия и результаты проведенных экспериментов.
Таблица 1 - Результаты процесса выброса воды из емкости
|
Номер опыта |
Режим подачи газа |
Р1(0)/Р1(tk), кгс/см2 |
tк, с |
m(tк), кг |
m(tк), кг |
|
|
1 |
1 |
7,8/6,3 |
5,0 |
0,04495 |
- |
|
|
2 |
2 |
7,7/5,2 |
10,0 |
0,03964 |
0,06554 |
|
|
3 |
3 |
7,7/4,3 |
12,5 |
0,03278 |
0,18135 |
В таблице 1 обозначено:
tк полное время процесса выброса запаса воды из емкости;
Р1(0)/Р1(tк) отношение начального и конечного давлений воздуха в ресивере;
масса воздуха, вытекшая из ресивера к моменту выброса всей порции воды, кг;
Т1(0) начальная температура сжатого воздуха в ресивере;
Т1(tк) = Т1(0) конечная температура воздуха в ресивере;
масса воздуха, оставшаяся в емкости с водой к моменту выброса всего запаса воды, кг;
масса воздуха, поданная в распылитель 3 по линии 5 к моменту времени выброса всего запаса воды, кг.
Результаты расчетов диаграмм давления P1(t) и массовых расходов воздуха для различных режимов его подачи в распылитель показаны на рисунках 2, 3, 4.
На рисунке 2 показаны результаты расчетов для условий опыта № 1, где Р1(t) изменение давления в 50-литровой емкости накопителя во времени; текущая масса газа, поступившая в емкость с водой 2 из накопителя 1.
Рисунок 2 - Результаты моделирования вытеснения воды из емкости в сопоставлении с данными опыта №1
Из рисунка 2 видно, что 6 л воды вытесняются примерно за 4 с. К этому моменту времени давление в накопителе Р1(tк) 6,4 кгс/см2, а истекшая из него масса газа составила примерно 50 г.
Рисунок 3- Результаты моделирования вытеснения воды из емкости в сопоставлении с данными опыта №2
Как видим, значение давления в накопителе в момент времени tк 4 с удовлетворительно согласуется с замеренным в опыте.
Для опыта № 2 на рисунке 3, кроме диаграмм Р1(t) и m1(t), приведены диаграммы давления в полости распылителя Р3(t) и текущей массы газа, поступившей в распылитель по линии 5, .
Из рисунка 3 видно, что время вытеснения 6 л воды увеличилось примерно до 9 с, что хорошо совпадает с результатами опыта № 2 (tк 10 с).
Давление в накопителе на момент завершения выброса воды составило Р1(tk) = 5,6 кгс/см2, а в опыте зафиксировано давление, равное примерно 5,2 кгс/см2.
Результаты расчетов в условиях опыта № 3, показанные графически на рисунке 4, свидетельствуют о том, что при дополнительной подаче газа в полость распылителя время выброса воды увеличилось до 12,6 с (для сравнения в опыте № 3 12,5 с, а давление в момент завершения выброса воды составило 4,9 кгс/см2 (в опыте № 3 4,3 кгс/см2).
Рисунок 4 - Результаты моделирования вытеснения воды из емкости в сопоставлении с данными опыта №3
Приведенные результаты сравнения показывают, что расчет по ЭВМ-программе, реализующей решение поставленной задачи, достаточно хорошо согласуется с опытными данными. Поэтому метод и ЭВМ-программа могут быть использованы для дальнейших численных исследований и проектных расчетов соответствующих водоаэрозольных установок пожаротушения, в том числе с источником рабочего газа от патронов ИХГ.
По результатам отработки опытного образца водоаэрозольного огнетушителя с патронами ИХГ будет проведена дальнейшая проверка метода расчета и при необходимости произведена его доработка.
Литература
1. Источники холодного газа нового поколения. Безопасность в обращении, надежность в эксплуатации / В.Н. Осипков, Д.Н. Никитин, А.Н. Расторгуев, Г.Ю. Шейтельман // Пожаровзрывобезопасность. ? 2001. ? № 1. ? С. 51-55.
2. Беляев, Н.М. Системы наддува топливных баков ракет / Н.М. Беляев. ? М.: Машиностроение, 1976. ? 276 с.
3. Райзберг, Б.А. Основы теории рабочих процессов в ракетных системах на твердом топливе / Б.А. Райзберг, Б.Т. Ерохин, К.П. Самсонов. - М.: Машиностроение. ? 1972. ? 245 с.
4. Душкин, А.А. Образование сплошного газового слоя при истечении газа в жидкость / А.А. Душкин // Теплофизика высоких температур. ?1991. ?№1. ? Т.29. ?С. 988-994.
5. Кутателадзе, С.С. Теплообмен и волны в газожидкостных системах / С.С. Кутателадзе, В.Е. Накоряков. ?Новосибирск: Наука, 1984. ? 167 с.
6. Изучение процесса истечения в жидкость газового потока из заглубленного сопла / И.П. Гинзбург, В.А. Сурин, А.А. Багаутдинов, А.С. Григорьянц, Л.И. Шуб // Инженерно-физический журнал. ?1977. ?№2. ? Т. XXXIII. ? С. 213-223.
7. Шагапов, В.Ш. Истечение газожидкостных и парожидкостных сред из большой емкости через щель / В.Ш. Шагапов // Теплофизика высоких температур. ? 1979. ? № 3. ? С. 43-51.
8. Шагапов, В.Ш. Об истечении вскипающей жидкости из трубчатых каналов / В.Ш. Шагапов, Г.Я. Галеева, Р.Г. Шагиев // Теплофизика высоких температур. ? 1998. ? № 1. ? С.106-112.
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Методы обеззараживания воды в технологии водоподготовки. Электролизные установки для обеззараживания воды. Преимущества и технология метода озонирования воды. Обеззараживание воды бактерицидными лучами и конструктивная схема бактерицидной установки.
реферат [1,4 M], добавлен 09.03.2011Нормативные документы, регламентирующие производство и контроль качества воды. Типы воды, ее загрязнение и схемы очистки. Системы распределения воды очищенной и воды для инъекций. Контроль систем получения, хранения и распределения, валидация системы.
курсовая работа [2,1 M], добавлен 12.03.2010Проблемы воды и общий фон развития мембранных технологий. Химический состав воды и золы ячменя. Технологическая сущность фильтрования воды. Описание работы фильтр-пресса и его расчет. Сравнительный анализ основных видов фильтров для очистки воды.
курсовая работа [3,5 M], добавлен 08.05.2010Классификация примесей, содержащихся в воде для заполнения контура паротурбинной установки. Показатели качества воды. Методы удаления механических, коллоидно-дисперсных примесей. Умягчение воды способом катионного обмена. Термическая деаэрация воды.
реферат [690,8 K], добавлен 08.04.2015Обоснование необходимости очистки сточных вод от остаточных нефтепродуктов и механических примесей. Три типоразмера автоматизированных блочных установок для очистки. Качество обработки воды флотационным методом. Схема очистки вод на УПН "Черновское".
курсовая работа [1,7 M], добавлен 07.04.2015Устройство и принцип работы рециркуляционного насоса, технологическая схема работы деаэрационно-питательной установки и сепаратора непрерывной продувки. Тепловой расчет котла, гидравлический расчет водовода технической воды, системы умягчения воды.
дипломная работа [585,1 K], добавлен 22.09.2011Производство высокоочищенной питьевой воды, системы ее очищения и техническое обслуживание. Применение метода двухступенчатого обратного осмоса для современного способа получения воды для инъекций. Основные положения метода, его достоинства и недостатки.
контрольная работа [260,5 K], добавлен 07.11.2014Назначение и технологическая схема установки предварительного сброса воды (УПСВ). Функции и структура автоматизированной системы управления УПСВ, разработка ее уровней и выбор оборудования. Расчет надежности и технико-экономической эффективности системы.
дипломная работа [2,1 M], добавлен 29.09.2013Применение ультразвукового и ультрафиолетового излучений для обеззараживания воды. Гидравлические процессы в рабочей емкости резервуара. Условия статической прочности элементов сосудов, работающих под давлением. Характеристика расчета потока жидкости.
дипломная работа [4,3 M], добавлен 12.08.2017Основные свойства наноматериалов, определяющиеся природой исходных молекул, размером наночастиц (степенью диспергирования) и средой диспергирования. Использование нанодобавок и нанопримесей. Анализ применения в дорожно-строительной индустрии Таурита.
отчет по практике [924,7 K], добавлен 12.02.2017
