CC BY
12
B. С. БЕЛОУСОВ, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой теоретической теплотехники, Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина (Россия, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19)
М. А. САВИН, канд. техн. наук, доцент, докторант, Уральский институт Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22; e-mail: [email protected])
C. В. САРКИСОВ, курсант, Уральский институт Государственной противопожарной службы МЧС России (Россия, 620062, г. Екатеринбург, ул. Мира, 22; e-mail: [email protected])
УДК 614.846:536
ЭКСЕРГЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ ДЛЯ САМОПОДОГРЕВА ВОДЫ НАСОСОМ ПОЖАРНОГО АВТОМОБИЛЯ
Представлены результаты экспериментального исследования, которые были обработаны с применением эксергетического метода анализа термодинамических систем. Показано, что дальнейшее повышение эффективности самоподогрева воды пожарным насосом перед ее подачей в напорную рукавную линию в низкотемпературных условиях может быть достигнуто реализацией ряда технических решений, таких как повышение мощности двигателя пожарного автомобиля и спецагрегата; снижение теплоотдачи в окружающую среду посредством эффективной теплоизоляции корпуса насоса; уменьшение полной теплоемкости деталей и узлов термодинамической системы за счет применения в конструкции насоса композитов и углепластиков.
Ключевые слова: пожарные насосно-рукавные системы; пожарный насос; низкотемпературные условия эксплуатации; холостой ход; внешняя теплоизоляция корпуса насоса; эксергетический анализ; расчетно-экспериментальный метод.
Введение
Бесперебойная подача огнетушащей жидкости к месту работы оперативных расчетов является одним из важных условий успешного тушения пожара [1]. В зимних условиях это сопряжено со значительными трудностями, поскольку температура воды в водопроводе и особенно в открытых водоисточниках снижается практически до 0 °С [2]. Опасность замерзания воды в рукавной линии наиболее велика в начальный период работы насосно-рукавной системы. При низкой температуре наружного воздуха температура стенок рукавов близка к ней, поэтому поступающая в них вода быстро охлаждается, превращаясь иногда в пастообразную ледяную массу ("шугу"), закупоривающую пожарный ствол, а затем и всю напорную рукавную линию, что может привести к срыву выполнения боевой задачи.
Существует техническая возможность снижения интенсивности образования льда в рукавах посредством подогрева воды за счет теплоты, выделяющейся при работе насоса [3]. В соответствии с первым законом термодинамики работа сил трения, произведенная насосом на холостом ходу, полностью преобразуется в теплоту. Часть этой теплоты расходуется на саморазогрев насоса и нагрев воды, а ос© Белоусов В. С., Савин М. А., Саркисов С. В., 2013
тавшееся количество от поверхности спецагрегата рассеивается в окружающую среду (ОС). Максимальная температура воды достигается в стационарном состоянии, когда мощность насоса становится равной тепловому потоку, отведенному в окружающую среду в результате конвективного и лучистого теплообмена. Величина этой температуры будет, очевидно, зависеть от мощности насоса, количества циркулирующей воды и интенсивности теплоотдачи от спецагрегата [3].
Эффективность различных технических решений можно сравнивать на основе их эксергетического анализа. В настоящем исследовании дана эксергетиче-ская оценка эффективности теплоизолирующего покрытия-чехла пожарного насоса ПН-40УВ, заполненного водой, при ее самоподогреве.
Эксергетический метод исследования
Эксергетический метод анализа дает возможность более объективно по сравнению с другими методами оценить энерго-экономическую эффективность установок, так как основан не только на первом, но и на втором начале термодинамики, учитывает потери от необратимости реальных процессов и позволяет оценить степень термодинамического совер-
шенства каждой из систем пожарного автомобиля (ПА). Эксергия — это максимальная работа, которая может быть совершена системой при ее переходе в состояние равновесия с окружающей средой [4,5].
Эксергия теплоты определяется соотношением
е = д - то | (ёд/т);
(1)
а эксергия потока вещества — соотношением
Е = Н - Но- Т>(Б - &), (2)
где д — количество теплоты;
Т0 — температура окружающей среды; Н, Н0 — энтальпии потока соответственно при данных условиях и в состоянии равновесия с окружающей средой;
Б, 50 — энтропии потока соответственно при данных условиях и в состоянии равновесия с окружающей средой.
В исследуемой термодинамической системе пожарный насос, заполненный водой, с теплоизоляцией [6] или без нее механическая энергия, получаемая спецагрегатом от двигателя ПА, подводится через контрольную поверхность к центробежному пожарному насосу марки ПН-40УВ.
Эксергетический КПД исследуемой термодинамической системы ле представляет собой отношение полезно используемой эксергии Епол к эксергии механической энергии, получаемой насосом от силового агрегата ПА, —н (подведенной эксергии):
"Л е = Е пол /-^е
(3)
где полезно используемой эксергией будем считать приращение эксергии воды в полости насоса, а эксер-гия механической энергии равна самой этой энергии.
Потери эксергии связаны с необратимым теплообменом с окружающей средой, гидравлическим сопротивлением циркуляции воды, подогревом элементов насоса, изменением кинетической энергии потока. Наибольшую долю эксергетических потерь составляют потери при преобразовании работы в теплоту.
Эксергетический баланс термодинамической системы пожарный насос, заполненный водой, со средствами теплоизоляции или без них запишется следующим образом:
- = Е пол + АЕ* + ^АЕ
+ АЕ
внутр 1 д '
(4)
где АЕ0 — эксергия теплоты, отводимой в окружающую среду внешними поверхностями спецагрегата, Дж;
^АЕвнутр — суммарные эксергетические потери, связанные с изменением внутренней энергии конструктивных элементов насоса (деталей и узлов насоса, запаса масла в масляной ванне насоса, коллектора, задвижек и т. п.), Дж;
АЕд — эксергетические потери при превращении работы в теплоту, Дж.
Разделив обе части уравнения (4) на —н, преобразуем его к виду
5пол = 1 - 50 - внутр - 8д , (5)
где 5пол — доля полезной эксергии;
50, ^5 внутр, 5д—доли соответствующих потерь.
Анализ выражения (5) позволяет сделать вывод, что повысить эффективность самоподогрева воды в термодинамической системе пожарный насос, заполненный водой, можно путем таких технических решений, как снижение теплоотдачи в окружающую среду посредством эффективной теплоизоляции насоса, уменьшения полной теплоемкости деталей и узлов термодинамической системы за счет применения в конструкции насоса композитов и углепластиков.
Величина эксергии и эксергетических потерь, входящих в уравнение эксергетического баланса, может быть вычислена следующим образом.
Эксергия механической энергии, получаемой насосом от силового агрегата ПА, равна работе, снимаемой с вала рабочего колеса спецагрегата:
-н = N Тн + N Тп,
(6)
где Мн — мощность на валу рабочего колеса пожарного насоса, Вт, в процессе нагрева воды до заданной температуры за время тн, с; Ып — мощность, Вт, необходимая для поддержания заданной температуры в течение времени
Тп,с.
Изменение эксергии воды в соответствии с уравнением (2) определяется по формуле
Епол = ш(Н(т) - н{) - 7> (я(т) - 51) =
т(т ) "
Т(т) - 71 - 70 1п
(7)
где т — количество воды, находящейся в полости насоса;
й(т), Н1 — удельные энтальпии воды в насосе соответственно в момент времени т ив начальный момент времени, кДж/кг;
5(т) - — изменение энтропии воды за время т, кДж/(кг-К);
ср — средняя теплоемкость воды, кДж/(кгК); 7(т), Т1 — температуры воды соответственно в момент времени т ив начальный момент времени, К.
Суммарные эксергетические потери определяются также по уравнению (7), в которое подставляются массы и теплоемкости конструктивных элементов системы.
Эксергия теплоты д0, отводимой в окружающую среду внешними поверхностями спецагрегата при
постоянной температуре поверхности, определяется в соответствии с (1) соотношением
Ео = О, (1- То/Т(т)). (8)
Эксергетические потери при превращении работы в теплоту можно определить из уравнения баланса (4) при известных значениях параметров, определяемых по (6)-(8). Для их вычисления необходимо знание тепловых потоков и температур в любой момент времени.
Изменение температуры воды при ее нагреве за счет теплоты, выделяющейся при работе пожарного насоса, можно определить путем решения нестационарного уравнения теплопроводности
ДТ = Т - Т
0;
сf = Qн -Q0,
(9)
где С — полная теплоемкость системы, складывающаяся из полных теплоемкостей воды и деталей насоса, Дж/К; С = тср + тдсд; & — избыточная температура воды, К; & = Т- Т0; 0 н —тепловой поток, выделяющийся при работе насоса, Вт; 0н = N;
00 —тепловой поток, отводимый в окружающую среду внешними поверхностями спецагрегата, Вт. Основная доля теплоты отводится в окружающую среду естественной конвекцией. Лучистым теплообменом из-за невысокой температуры поверхности можно пренебречь. Тогда тепловой поток от поверхностей спецагрегата определится по формуле
Q о = «(Т - То) F,
(10)
где а — средний по поверхности коэффициент теплоотдачи, Вт/ (м2-К);
Тс — средняя температура наружной поверхности стенок насоса, К;
Е — полная площадь поверхности пожарного насоса, м2.
Температуры поверхности Тс и воды Тпринима-ем одинаковыми, так как термические сопротивления теплопроводности стенок насоса и теплоотдачи от воды к внутренней поверхности насоса невелики. Расчеты показывают, что уже при разности температур 1 К режим естественной конвекции является турбулентным, тогда коэффициент теплоотдачи а вычисляется по критериальному уравнению [7]:
Nu = 0,135Ra
1/3
(11)
где № — число Нуссельта; № = ак //X; ак — коэффициент теплоотдачи; / — характерный размер (высота) насоса;
X — коэффициент теплопроводности воздуха;
3 / 2
Яа — число Релея; Яа = (§/ / V ) ДТ Рг ; g — ускорение свободного падения; V — коэффициент кинематической вязкости воздуха;
Рг — число Прандтля.
Выражая коэффициент теплоотдачи а из (11) с учетом (10), можно записать:
^ = A - BS 43, d т
(12)
/ \1/3
g Pr
где А = N/C; В = 0135 ЕX
С I TоV У
откуда ёт = (А - В& 4/3).
Интеграл | [йV(А - А&^3)] заменой переменных &1/3 = 2 сводится к табличному интегралу 3| [2 2йг!(А - В24)] .Тогдарешение уравнения (12) с учетом начального условия &(т - 0) = &0 примет следующий вид:
т = ■
4 AbJ
ln1 + b^ ,V3 - 2 arctg (bS ^3) -
1 - bS
LV3
V3
1 + bS „ U3
ln-^ - 2 arctg (bS 0/3)
1 - bS 03
(13)
где Ь = 44ВА.
Для идеальной тепловой изоляции (00 = 0) решение (9) имеет вид:
т = (S - S0)/A.
Методика эксперимента
(14)
В лабораторных исследованиях изучалась зависимость интенсивности прогрева воды в пожарном насосе от мощности, потребляемой им от двигателя ПА. В качестве объекта исследования был выбран центробежный пожарный насос ПН-40УВ, установленный в заднем отсеке пожарной автоцистерны марки АЦ-3,2-40(433114), наработка которого составила 186 ч при ресурсе спецагрегата 1100 ч. Экспериментальный образец съемного покрытия-чехла для обеспечения работы пожарного насоса в условиях низких температур состоял из двух теплоизолирующих слоев — полушерстяных одеял и одного теплоотражающего слоя [6] из металлизированной полульняной ткани (эластоискожа-Т теплоотража-тельная), используемой в комплектах теплозащитной одежды для пожарных [8]. Кроме того, такое гибкое трехслойное утеплительное покрытие для лучшей теплоизоляции было выполнено в виде пакета, т. е. с воздушным промежутком между слоями. Конструктивно чехол-пакет состоял из пяти частей, три из которых (самых габаритных) представлены на рис. 1.
Температура воздуха и начальная температура воды в насосе составляли соответственно (5+1) и (20+1) °С. Для регистрации температур применялся
3
Таблица 1. Результаты исследования самоподогрева воды пожарным насосом ПН-40УВ (частота вращения рабочего колеса 1900 мин-1, мощность на валу 14 кВт)
Рис. 1. Съемный теплоизолирующий чехол для пожарного насоса ПН-40УВ: 1 — теплоотражательный слой; 2 — два теплоизолирующих слоя
электронный автоматический самопишущий многоточечный потенциометр ЭПП-09 с основной погрешностью показаний при температуре окружающего воздуха 20 °С, не превышающей 0,5 %. Хромель-копелевые термопары ТХК (тип Ь) по ГОСТ 6616-74 с пределами измерений 223...373 К (-50...+100 °С) были протарированы в соответствующих диапазонах температур и размещены по оси всасывающего патрубка насоса и в его коллекторе. Среднеобъем-ная температура системы определялась как среднее арифметическое от показаний этих приборов.
Частота вращения рабочего колеса насоса соответствовала частоте вращения коленчатого вала двигателя и была измерена штатным тахометром. Мощность на валу пожарного насоса определялась по величине крутящего момента, для измерения которого использовалась силоизмерительная система УСТП с тензорезисторным датчиком ДСТ-0,1К.
Для расчета по уравнению (13) принимались следующие значения массы и полной теплоемкости: воды в спецагрегате — 22,0 кг, 92,2 кДж/К; пожарного насоса — 60,0 кг, 48,0 кДж/К, в том числе корпуса насоса в сборе и рабочего колеса, изготовленных из алюминиевого сплава, — 45,5 кг, 38,9 кДж/К и 3,8 кг, 3,50 кДж/К соответственно; вала с шарикоподшипниками, стакана сальникового, шпинделей с маховичками и заслонками напорных задвижек, датчика тахометра, изготовленных из стали и чугуна, — 6,2 кг, 2,86 кДж/К; 1,4 кг, 0,647 кДж/К; 2,6 кг, 1,26 кДж/К; 0,1 кг, 0,046 кДж/К соответственно; масла в масляной ванне насоса — 0,44 кг, 0,733 кДж/К.
Результаты исследования
Результаты экспериментальных исследований и расчетов динамики самоподогрева воды в пожарном насосе при частоте вращения вала рабочего колеса 1900 мин-1 и мощности на валу 14 кВт приведены в табл. 1.
Температура воды в процессе нагрева, °С Время самоподогрева воды до соответствующей температуры, с, в насосе
без изоляции с изоляцией
Расчет Эксперимент Расчет* Эксперимент
25 50,3 58 50,1 25
30 101 110 100 60
35 151 160 150 112
40 202 210 200 173
45 253 255 250 235
50 304 302 300 298
55 355 350 350 350
60 406 400 401 390
* С идеальной теплоизоляцией.
Данные, представленные в табл. 1, свидетельствуют о том, что в практических условиях эксплуатации наличие теплоизоляции корпуса насоса почти не влияет на время предварительного подогрева воды перед пуском ее в магистральную рукавную линию (МРЛ), очевидно потому, что тепловой поток в ОС гораздо меньше, чем выделяемая при работе спецагрегата тепловая мощность.
Из табл. 1 также видно, что расчетные значения времени нагрева соответствуют экспериментальным данным. Следовательно, можно заключить, что зависимость (13) в достаточной степени адекватно описывает процесс самоподогрева запаса воды, находящегося в насосе. Таким образом, данную расчетную модель можно применять и для других условий подогрева воды. К примеру, для определения времени нагрева воды до заданной температуры в зависимости от температуры окружающей среды, атак-же от мощности холостого хода (рис. 2 и 3).
Кроме того, по уравнению (10) и по уравнению для теплового потока, обусловленного теплопроводностью, в стационарном режиме
Я0 = «Т - Т0 = Xиз/5из (Гс - Т0)7 (15)
были рассчитаны тепловые потери спецагрегата в окружающую среду в зависимости от ее температу-
х, с 410 409 408 407 406 405
-15
-10
-5
0
t °г
'ос
Рис. 2. Зависимость времени подогрева воды в насосе до заданной температуры (60 °С) от температуры окружающей среды toc
Ы, кВт
Рис. 3. Зависимость времени подогрева воды в насосе до заданной температуры (60 °С) от мощности холостого хода N
а вт 1000 800 600 400 200
8=1
V
< ч \ 6 = 0,5 /
^ / £ = 0 /
4
0
0,1
0,5
1,0
8изЛи
Рис. 4. Тепловые потери спецагрегата через его поверхность в зависимости от термического сопротивления, теплопроводности изоляции 8из/Хиз и степени черноты е при температуре ОС минус 20 °С
ры при различных значениях степени черноты поверхности насоса (полированной — е = 0; покрытой слоем оксидов — е = 0,5; абсолютно черной — е = 1) и от термического сопротивления теплопроводности теплоизоляции 8изДиз (где 8из — толщина
а вт 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
Зиз/
-__ ■ ^
5изАиз = 0,1
/
~ ~ " ___
^изАиз = 0.5 8„
— / ^из/^из = 2,5
---
^0
-30
-20
-10
0
I оГ
'ос
Рис. 5. Зависимость тепловых потерь спецагрегата в ОС через его поверхность в зависимости от температуры окружающей среды гос, термического сопротивления и теплопроводности изоляции 8из/А,ш при е = 0,5
теплоизоляции; Хиз — коэффициент теплопроводности материала изоляции). Эти данные приведены в табл. 2 и на рис. 4 и 5. В уравнении (10)
а = ал + ак, (16)
где а _е с (?;/100)4 - (У100)4
где а л _е С 0 ™ ™ .
Тс - Т0
Как следует из рис. 4, уже при 8изДиз > 0,5 излучение практически не влияет на величину тепловых потерь спецагрегата в окружающую среду, а при 8из/Хиз > 1 тепловые потери насоса зависят от температуры окружающей среды незначительно (см. рис. 5).
Таблица 2. Расчетные значения тепловых потерь в окружающую среду и температура поверхности пожарного насоса ПН-40УВ
Температура ОС, °С е Теплопотери в окружающую среду, Вт / Температура наружной поверхности насоса, °С, при 8из /Хиз
0 0,1 0,5 1,0 2,5
0 311 / 60 178 / 40,3 68,1 / 22,2 39,3 / 16,4 17,6 / 11,2
5 0,5 483 / 60 223 / 36,2 76 / 17,8 42,4 / 12,9 18,4 / 8,9
1,0 644 / 60 256 / 31,6 80,7 / 15,1 44,1 / 11 18,8 / 7,8
0 363 / 60 198 / 38 74,9 / 18,4 43,1 / 12,1 19,2 / 6,6
0 0,5 563 / 60 244 / 32,9 83 / 13,9 46,2 / 8,6 20 / 4,3
1,0 707 / 60 279 / 29 87,9 / 11,2 48 / 6,7 20,5 / 3,2
0 452 / 60 239 / 33,4 88,8 / 10,7 50,8 / 3,6 22,5 / -5,6
-10 0,5 643 / 60 288 / 28 96,9 / 6,2 53,9 / 0,1 23,4 / -4,9
1,0 835 / 60 325 / 23,9 102 / 3,3 55,8 / -2 23,8 / -6,2
0 547 / 60 282 / 28,7 103 / 2,9 58,5 / -5 25,9 /-11,9
-20 0,5 756 / 60 332 / 23,1 111 / -1,6 61,6 / -8,5 26,7 / -14,2
1,0 965 / 60 370 / 18,9 116,3 / -4,6 63,6 /-10,7 27,2 / -15,5
0 648/60 326 / 23,8 117 / -5,1 66,3 / -13,7 29,2 / -21,2
-30 0,5 873 / 60 376 / 18,2 125 / -9,4 69,3 / -17,1 30 / -23,4
1,0 1098 / 60 416 / 13,8 130 / -12,5 71,4 /-19,3 30,5 / -24,8
0 756 / 60 372 / 18,7 132 / -13,1 74,2 / -22,5 32,6 / -30,5
-40 0,5 995 / 60 422 / 13,2 139 / -17,2 77,1 / -25,7 33,4 / -32,6
1,0 1233 / 60 461 / 8,7 146 / -20,3 79,1 / -27,9 33,8 / -34
Таблица 3. Исходные экспериментальные данные и расчет составляющих уравнения эксергетического КПД термодинамической системы пожарный насос, заполненный водой, без теплоизоляции при температуре ОС 278 К ((5±1) °С)
Показатель Значение показателя при температуре воды в насосе ПН-40УВ на холостом ходу, °С, 1900 мин4 при частоте вращения вала рабочего колеса-- 2700 мин-1
20 25 30 35 40 45 50 55 60
Время нагрева воды т, с 0 0 58,44 25 110 55 160 86 210 118 255 142 302,5 172 350 202 400 230
Мощность, потребляемая насосом, Ы, кВт - 14,0 23,5 14,0 23,5 14,0 23,5 14,0 23,5 14,0 23,5 14,0 23,5 14,0 23,5 14,0 23,5
Изменение эксергии воды в насосе Епол, кДж - 818,2 587,5 1540 1292,5 2240 2021 2940 2773 3570 3337 4235 4042 4900 4747 5600 5405
Эксергия, аккумулированная водой в насосе, Е?в, кДж - 27,167 27,167 61,518 61,518 102,819 102,819 150,845 150,845 205,383 205,383 266,231 266,231 333,195 333,195 406,089 406,089
Эксергетический КПД термодинамической системы - 0,0332 0,0460 0,0399 0,0476 0,0459 0,0509 0,0513 0,0544 0,0575 0,0615 0,0629 0,0659 0,0680 0,0702 0,0725 0,0751
Потери эксергии в ОС от поверхностей насоса Е0, кДж - 0,219 0,294 0,612 0,894 0,955 1,480 1,370 2,220 1,870 3,120 2,450 4,180 3,120 5,240 3,870 6,820
Доля эксергии, отведенная в ОС от поверхностей насоса, 50 - 0,00027 0,00050 0,00040 0,00069 0,00043 0,00073 0,00047 0,00080 0,00052 0,00094 0,00058 0,00103 0,00064 0,00110 0,00069 0,00126
Потери эксергии на нагрев элементов системы ХДЕвнутр, кДж - 14,2 14,2 32,1 32,1 53,7 53,7 78,8 78,8 107,3 107,3 139,1 139,1 174,1 174,1 212,1 212,1
Доля потерь эксергии на подогрев элементов системы Х5внутр - 0,0174 0,0242 0,0208 0,0248 0,0240 0,0266 0,0268 0,0284 0,0301 0,0322 0,0328 0,0344 0,0355 0,0367 0,0379 0,0392
Доля потерь эксергии при превращении работы в теплоту 5г - 0,94243 0,92930 0,93773 0,92691 0,92967 0,92177 0,92143 0,91640 0,91188 0,90536 0,90372 0,89867 0,89586 0,89200 0,88891 0,88444
Механическая энергия, получаемая насосом (100 %)
Потери при превращении работы в теплоту (94,2/92,9 %)
Потери на нагрев элементов насоса (1,7/2,4 %)
Потери в ОС поверхностями насоса (0,03/0,05 %)
Эксёргетический КПД самоподогрева воды в насосе (3,3/4,6 %)
Рис. 6. Эксергетическая диаграмма пожарного насоса ПН-40УВ без теплоизоляции при температуре воды в нем 25 °С и при частоте вращения вала рабочего колеса 1900 мин-1/2700 мин-1
Кроме того, были вычислены эксергетические КПД самоподогрева вода в насосе для двух частот холостого хода — 1900 и 2700 мин-1 (табл. 3). Как видно из табл. 3, эффективность процесса предварительного подогрева воды насосом перед ее пуском в МРЛ весьма невелика и находится в диапазоне 3,3...7,5%. Одновременно расчеты подтвердили ранее высказанное предположение о том, что доля эксергии теплоты, отведенная поверхностями насоса в окружающую среду, и того меньше — 0,027.0,126 %. Максимальная же доля потерь эк-
сергии имеет место при превращении работы в теплоту: 59 = 0,94.0,88 (рис. 6).
Определенная часть теплоты (1,74.3,92 %) идет на нагрев элементов системы. Из этого количества теплоты корпусом насоса поглощается свыше 81 % эксергии выделяющейся теплоты, рабочим колесом — более 7 %, валом, шпинделями задвижек, а также маслом в масляной ванне — суммарно более 10%.
Выводы
1. Исследуемая конструкция теплоизоляции насоса ПН-40УВ [4] в незначительной степени форсирует предварительный самоподогрев воды, находящейся в спецагрегате, перед ее пуском в магистральную пожарную рукавную линию, так как потери эксергии теплоты, отводимой наружными поверхностями пожарного насоса в окружающую среду, весьма невелики.
Однако в дальнейшем, при работе насоса на пожаре, наличие теплоизоляции позволит обеспечить усиленный сопутствующий подогрев огнетушащей жидкости, что необходимо для обеспечения ее подачи с нужной интенсивностью в течение всего периода пожаротушения.
2. Доля эксергии полезной работы спецагрегата 5пол, идущей на самоподогрев находящейся в нем
огнетушащей жидкости, увеличивается с течением времени прогрева и с повышением ее температуры.
3. Анализ процессов теплообмена показал, что при 8из /Хиз > 1 тепловые потери спецагрегата практически не зависят от температуры окружающей среды. Аналогично при условии 8из Диз > 0,5 излучение не влияет на величину теплоты, рассеиваемой насосом в окружающую среду.
4. Очевидно, что при применении теплоизолирующего покрытия внутренних поверхностей кор-
пусных деталей насоса появляется техническая возможность изменить соответствующий баланс и перенаправить определенную долю теплоты на усиленный самоподогрев воды в спецагрегате.
5. Применение эксергетического метода анализа создает возможность системно и комплексно оценивать степень совершенства термодинамических процессов в системах пожарного автомобиля, так как дает всестороннее представление о характере использования энергоресурсов и об удельном весе потерь в его различных элементах.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Об утверждении порядка тушения пожаров подразделениями пожарной охраны : приказ МЧС России от 31.03.2011 г. № 156. — М. : МЧС России, 2011.
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. — 293 с.
3. Шебеко Н. О работе насосов при низких температурах // Пожарное дело. — 1960. — № 10. — С. 24-25.
4. Кириллин В. А., Сычев В. В. и др. Техническая термодинамика.—М.: Энергоатомиздат, 1983. —416 с.
5. Бродянский В. М., Фратшер В., Михалек К. Эксергетический метод и его приложения. — М. : Энергоатомиздат, 1988. —288 с.
6. Патент 68324 Российская Федерация. МКИ А 62 С 11/00. Насос пожарной машины для зимних условий / СавинМ. А. и др. —№ 2007128405; заявл. 23.07.2007 г.; опубл. 27.11.2007 г., Бюл. № 33.
7. ЮдаевБ. Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. —М.: Высшая школа, 1988. —479 с.
8. Простое Н. И., Аверин Ю. Ф., Логинов В. И. Техническое описание и инструкция по эксплуатации комплекта теплозащитной одежды для пожарных ТК. — М. : ВНИИПО МВД СССР, 1987. — С. 3-7.
Материал поступил в редакцию 26 октября 2012 г.
= English
EXERGY ASSESSMENT OF HEAT EFFICIENCY FOR SELF-HEATING OF WATER BY MEANS OF FIRE ENGINE PUMP
BELOUSOV Viktor Semenovich, Doctor of Technical Sciences, Professor, Head of Theoretical Heating Engineering Department, Ural Federal University named after the First President of Russia B. N. Yeltsin (Mira St., 19, Yekaterinburg 620002, Russian Federation)
SAVIN Mikhail Aleksandrovich, Candidate of Technical Sciences, Docent, Applicant for Doctor's Degree, Associate Professor, Ural State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg 620062, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
SARKISOV Sergey Vladimirovich, Cadet, Ural State Fire Service Institute of Emercom of Russia (Mira St., 22, Yekaterinburg 620062, Russian Federation; e-mail address: [email protected])
ABSTRACT
Introduction. Efficiency of application of the pump heat-insulating cover, filled by water, in conditions of self-heating for decreasing the ice-forming inside fire hoses is examined. Experimental technique. The object under research was the centrifugal pump PN-40UV installed on the fire extinguishing water tanker ATs-3,2-40(433114) which accrued operating time is 186 hours with resource of the special unit equal to 1100 hours. According to the patent of the Russian Federation № 68324 the demountable cover consist of two heat-insulating layers of half-woolen blankets and one heat-reflecting layer of metalized half-linen fabric with layers of air between them. The temperature of air and the initial temperature of water in the pump was accordingly (5±1) and (20±1) °С. To register the temperature it was used the electronic potentiometer EPP-09. Chromel
copel thermocouples were placed along the axis of the pump inlet duct and in its collector. The average temperature of the system was defined as arithmetic mean of indications of these devices. The frequency of pump impeller rotation and torque data was measured to determine the shut-off capacity of the pump.
Results of research. The calculating model which adequately describes the process and can be used, for example, in determination of time of water self-heating up to the set temperature depending on the ambient temperature and shut-off capacity of the pump is received.
Exergetic efficiency of preliminary self-heating of water in the pump to ensure an idle running power rates about 14,0 and 23,5 kW (and frequency of rotation of the pump impeller shaft—1900 and 2700 rpm accordingly) is calculated. It is established that efficiency of the process of preliminary self-heating of water by the pump, before feeding into the main hose line, is low and fluctuate in the range of 3,3.7,5 %. The part of heat exergy removed by the pump surface into the environment is
0.027.0.126.%. The maximal part of exergy loss during conversion of work into heat is 0,94.0,88 %. Besides, about 1,74.3,92 % of heat is spent on heating of the pump elements. From this volume of heat more than 81 % absorbs by pump case, more than 7 % by pump impeller and more than 10 % totally by spindles of valves and oil bath.
Conclusions. 1. The examined construction of heat insulation of the pump PN-40UV is slightly speed up preliminary self-heating of the water in special unit, before feeding into the main hose line, as exergy heat losses removed by external surfaces of the fire pump into the environment are insignificant.
However, during the further operation of the pump at a fire the presence of heat insulation will allow to provide the intensive attendant heating of extinguishing liquid that is necessary for its feed with required strength during the whole period of extinguishing.
2. The part of exergy of useful work of the special unit spent for self-heating of the water increases with the warming up time and rising of its temperature.
3. Use of heat-insulating cover of internal surfaces of the pump case parts will allow redirecting the certain part of heat to intensive self-heating of water in the special unit.
4. Application of exergetic method of analysis provide a way of system and complex estimation of the perfection degree of thermodynamic processes in systems of fire-fighting vehicles as it gives thorough representation about character of use of energy resources and about specific weight of losses in its various elements.
Keywords: fire pump-hose systems; fire pump; low-temperature conditions of operation; idle running; external heat insulation of the pump case; exergy analysis; experiment-calculated method.
REFERENCES
1. Ob utverzhdenii poryadka tusheniya pozharov podrazdeleniyami pozharnoy okhrany: prikaz MChS Rossii ot 31.03.2011 № 156 [On approval of the order of fire suppression by fire brigades. Order of the Emercom of Russia from 31.03.2011 № 156]. Moscow, Emercom of Russia Publ., 2011.
2. Aleshkov M. V. Povysheniye rabotosposobnosti napornykh rukavnykh liniypri tusheniipozharov v us-loviyakh nizkikh temperatur. Dis. kand. tekhn. nauk [Increase of working capacity of hose lines during fire suppression in conditions of low temperatures. Cand. tech. sci. diss.]. Moscow, 1990. 293 p.
3. Shebeko N. O rabote nasosov pri nizkikh temperaturakh [About operation of pumps at low temperatures]. Pozharnoye delo — Fire Fighting, 1960, no. 10, pp. 24-25.
4. Kirillin V. A., Sychev V. V. et al. Tekhnicheskaya termodinamika [Technical thermodynamics]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1983. 416 p.
5. Brodyanskiy V. M., Fratsher V., Mikhalek K. Eksergeticheskiy metodiyegoprilozheniya [Exergic method and its applications]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1988. 288 p.
6. Savin M. A. et al. Nasos pozharnoy mashiny dlya zimnikh usloviy [The pump of the fire engine for winter conditions]. Patent RF, no. 68324, 2007.
7. Yudayev B. N. Tekhnicheskaya termodinamika. Teploperedacha [Technical thermodynamics. Heat transfer]. Moscow, Vysshaya shkolaPubl. [Higher school Publ.], 1988. 479 p.
8. Prostov N. I., Averin Yu. F., Loginov V. I. Tekhnicheskoye opisaniye i instruktsiya po ekspluatatsii komplekta teplozashchitnoy odezhdy dlyapozharnykh TK [Technical specification and maintenance instruction of the complete set of heat-reflecting gear for firefighters TK]. Moscow, VNIIPO of the Ministry of Internal Affairs of the USSR, 1987, pp. 3-7.
