Статья: Моделирование выброса и диспергирования воды сжатым газом из установок водоаэрозольного пожаротушения

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

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.