О способе подогрева воды в пожарной цистерне Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

М. А. Савин

докторант, начальник кафедры Уральского института ГПС МЧС России

А. М. Боровских

канд. техн. наук, профессор, доцент Уральского государственного лесотехнического университета

В. В. Семиноженко

старший преподаватель Уральского института ГПС МЧС России

УДК 614.846.63:536

О СПОСОБЕ ПОДОГРЕВА ВОДЫ В ПОЖАРНОЙ ЦИСТЕРНЕ

Экспериментально показана эффективность трехступенчатого подогрева воды в цистерне пожарного автомобиля посредством ее рециркуляции (перепуска) по кругу цистерна - пожарный насос - кавитаторная насадка -цистерна.

Ключевые слова: нагрев, вода, пожарная цистерна, пожарный насос.

Исключить замораживание емкости с водой пожарной спецтехники при выполнении слу-жебно-боевых задач на открытом воздухе в условиях низких температур возможно путем реализации пассивных технических решений — теплоизоляцией, а также активных — подогревом тем или иным способом, в частности посредством многократной рециркуляции (перепуска) воды по кругу цистерна - пожарный насос - кавитаторная насадка - цистерна [1]. При этом вода подвергается трехступенчатому подогреву.

Так, первая ступень подогрева воды имеет место в насосе. Это связано с низким КПД пожарных центробежных насосов, например, КПД пожарного насоса ПН-40УВ не превышает 60 % [2].

При соударении струи воды со стальной дефлек-торной пластиной кавитаторной насадки (рис. 1) происходит трансформация кинетической энергии

Рис. 1. Кавитаторная насадка с пожарным стволом РС-70

струи в теплоту. Это вторая ступень подогрева воды. Оценить величину тепловой мощности энерговыхода на второй ступени подогрева, которая может быть получена на дефлекторной пластине кави-таторной насадки (типа струя - преграда), в рециркуляционном режиме возможно по формуле:

N. струи = ^кин /т = тУ2/2т = рвУ'А

где РГкин — кинетическая энергия струи, Дж;

т — время, с;

т — масса, кг;

р — плотность жидкости, кг/м3;

в — подача струи воды, м3/с;

У— средняя скорость струи, м/с.

Средняя скорость струи может быть определена из уравнения неразрывности потока:

У=в/ю

где ю — площадь живого сечения струи, м2.

Таким образом, эффективная мощность струи (потока) жидкости может быть определена по следующей формуле:

N =в • 10"3. (1)

э струи 2 ^ '

2ю

Результаты расчетов эффективной мощности струй воды на различных режимах приведены в табл. 1.

Сопоставление величин эффективных мощностей, развиваемых пожарным насосом (табл. 2, колонка 7), и эффективных мощностей струй (см. табл. 1, колонка 5) на различных режимах указыва-

Таблица 1. Величины эффективных мощностей струй воды на различных режимах

9 10

№ п/п Подача затопленной струи 2-10-3, м3/с Площадь живого сечения струи, ю-10-6, м2 Средняя скорость струи V, м/с Эффективная мощность струи воды Nэ струи ; кВт

1 7,8 490,6 15,89 0,986

2 7,5 490,6 15,29 0,876

3 12,2 4415,6 7,29 0,865

4 28,8 4415,6 6,52 0,613

ет на значительные потери мощности струи при движении потока воды от насоса к месту слива.

Кроме того, из формулы (1) следует, что эффективная мощность струи, т.е. механическая мощность, которая может быть трансформирована в теплоту, прямо пропорциональна третьим степеням величин подач и обратно пропорциональна квадрату площади живого сечения струи. Несколько странным в формуле (1) является то обстоятельство, что в ней никак не нашел отражения такой важный параметр потока, каковым является напор. Вместе с тем известно, что напор связан с величиной подачи следующей зависимостью:

где Н — напор, м;

Б— сопротивление потоку, с2/м5.

Таким образом, формулу (1) можно представить следующим образом:

N3

^. 10-3.

2ю2 Б

(2)

Далее, из анализа формул (1) и (2) следует в частности, что для увеличения эффективности механического воздействия струи, например на очаг пожара, необходимо посредством применения соответствующих насосов обеспечить прежде всего рост подач воды и напоров наряду с уменьшением площади живого сечения струи, а также сопротивления потоку. Применительно же к данному случаю — с затопленными струями — очевидно целесообразно дефлекторную пластину приблизить к кави-таторной насадке на оптимальное расстояние.

Тепловые эффекты гидродинамической кавитации [3], т.е. третьей ступени подогрева воды, реально могут проявить себя вблизи острой кромки фаски дефлекторной пластины кавитаторной насадки при обтекании ее водой.

Для предварительной оценки предложенного технического решения были спланированы и поставлены две серии поисковых экспериментов.

Пожарная автоцистерна АЦ-2,0-40(4333)17ВР с приведенным пробегом 13000 км, оборудованная

4 и

-- 3 — / —

3 2

Рис. 2. Схема подключения гидравлического оборудования для осуществления подогрева воды в цистерне пожарного автомобиля: 1 — стальная емкость с водой; 2 — всасывающий патрубок; 3 — задвижка "Из цистерны"; 4 — пожарный насос; 5 — задвижка левого борга; 6 — задвижка "В цистерну"; 7 — напорный патрубок; 8 — напорно-всасывающие рукава; 9 — пожарный ствол РС-70; 10 — кавитаторная насадка с дефлекторной пластиной

насосом ПН-40УВ заднего расположения, наработка которого составила 132 ч (при ресурсе спецагрегата 1100 ч), размещалась под навесом для исключения попадания на нее осадков и была закрыта с трех сторон сплошными экранами, что обеспечивало полный штиль.

Гидравлическое оборудование было подключено к цистерне и насосу согласно схеме (рис. 2). Стальная цистерна автомобиля массой 303 кг и вместимостью 2000 л не имела теплоизоляции и была полностью заполнена пресной водой. Забор воды из емкости и заполнение ею пожарного насоса ПН-40УВ (масса с коллектором, задвижками и патрубками составляла 62,2 кг) производились через открытую штатную задвижку "Из цистерны", а слив в цистерну — от левого напорного патрубка коллектора насоса ПН-40УВ с помощью двух армированных напорно-всасывающих рукавов (масса каждого 10 кг) с внутренним диаметром соединительных головок 75 мм.

Напоры на коллекторе насоса измерялись манометром МТП-160 (класс точности 1,5; пределы измерений 1-16 атм), разрежение — мановакууммет-ром (класс точности 1,5; пределы измерений — от минус 1 до 6 атм).

Температура окружающего воздуха в экспериментах составляла (5+1) °С. Динамика прогрева воды определялась термометрами манометрического типа ТКП-60/3М с пределами измерений 0-120 °С (класс точности 1,5). Два датчика были жестко закреплены на специальной штанге, которая была опущена вертикально через заливную горловину цистерны автомобиля. Один датчик располагался на 200 мм выше дна, другой — на 200 мм

Таблица 2. Сводные результаты экспериментов по подогреву воды в цистерне пожарного автомобиля АЦ-2,0-40(4333)17ВР способом многократной рециркуляции (перепуска) ее по кругу цистерна - пожарный насос - цистерна с применением кавитаторной подогревательной насадки и без нее

Температура воды в системе, °С

начальная

конечная

Пожарный насос ПН-40УВ

Давление, атм

во вса-сываю-

на кол-

щем

лекторе .

патрубке

Подача,

л/с

Мощность, кВт

Параметры термодинамической системы Масса, кг / теплоемкость отдельных компонентов и теплоносителя, кДж/°С

переданная потоку воды

рассеянная насосом

потребляемая от двигателя

базового с коллектором шасси и патрубками всего

насос ПН-40УВ

цистерна стальная

запас воды в цистерне

два на-

порно-

всасыва- ствол

ющих РС-70

рукава с

головками

количество

теплоты, аккумулированной системой за время эксперимента, кДж

Тепловая мощность системы, кВт

КПЭ подогрева,

%

5 13

5 15

5 19

5 21

Подогрев подачей воды в цистерну посредством напорно-всасывающихрукавов и ствола РС-70 (внутренний диаметр 25 мм) без насадки 3,0 -0,15 3,15 7,8 2,41 16,13 18,54 62,2/47,97 303,0/140,0 2000,0/8360,0 20,0/23,8 1,85/1,7 68587,76 9,53

3,0

-0,2 3,20 7,5 2,35 17,23 19,58 62,2/47,97 303,0/140,0 2000,0/8360,0 20,0/23,8 1,85/1,7 94308,17 11,91

Подогрев подачей воды в цистерну посредством напорно-всасывающих рукавов (внутренний диаметр головки 75 мм) без насадки 1,5 -0,75 2,25 32,2 7,11 7,70 14,81 62,2/47,97 303,0/140,0 2000,0/8360,0 20,0/23,8 - 120004,78 16,66

Подогрев подачей воды в цистерну посредством напорно-всасывающих рукавов (внутренний диаметр головки 75 мм) с насадкой кавитаторной подогревательной (отбойной пластиной), размещенной поперечно потоку воды

1,5 -0,65 2,15 28,8 6,07 7,13 13,20 62,2/47,97 303,0/140,0 2000,0/8360,0 20,0/23,8

51,40

Подогрев подачей воды в цистерну посредством напорно-всасывающих рукавов и ствола РС-70 (внутренний диаметр 25 мм) с насадкой кавитаторной подогревательной (отбойной пластиной), размещенной поперечно потоку воды

60,82 112,49

137148,32 19,05 144,31

ниже горловины цистерны. Датчик третьего термометра был размещен по оси всасывающего патрубка насоса ПН-40УВ. Среднеобъемная температура воды Tv определялась как среднее арифметическое показаний этих приборов.

В первой серии экспериментов к свободному концу напорной рукавной линии, опущенному в воду через горловину цистерны, был присоединен пожарный ствол РС-70 со свинченным спрыском, таким образом, диаметр выходного отверстия ствола составил 25 мм. Это было условие контрольной части первого эксперимента.

Для оценки эффективности влияния на тепловыделение гидродинамических, а также кавитаци-онных явлений ствол РС-70 во второй части данного эксперимента был оборудован специально изготовленной в металле съемной кавитаторной насадкой. Одна из двух конструкций кавитаторных насадок представлена на рис. 1.

Условия второй серии экспериментов предусматривали слив воды из свободного конца напорно-всасывающего рукава также под слой воды в цистерне, причем без какого-либо ствола, т.е. диаметр напорно-всасывающего рукава составил 75 мм — это внутренний диаметр его соединительной головки. Такова была контрольная часть второго эксперимента. Кроме того, в другой части опыта на расстоянии 75 мм от свободного конца рукава, т.е. на расстоянии одного его диаметра, была размещена поперечно потоку воды стальная дефлекторная пластина-отражатель кавитаторной насадки.

Продолжительность каждого эксперимента составляла 120 мин, при этом измерения температур проводились каждые 15 мин. Напор на насосе поддерживался постоянным. В первом эксперименте он составил 3,0 атм, во втором — 1,5 атм. В процессе экспериментов для оценки полного напора, развиваемого пожарным насосом, фиксировалось также разрежение в его всасывающем патрубке.

Частоты вращения вала рабочего колеса ПН-40УВ измерялись штатным тахометром. Данный параметр, также как и величина подачи воды, необходим для определения величин КПД пожарного насоса ^ (рис. 3).

Динамика прогрева термодинамической системы, состоящей из стальной цистерны с водой, насоса ПН-40УВ и двух напорно-всасывающих рукавов, отображена на рис. 4. На графике штрих-пунктирные линии соответствуют прогреву воды с применением кавитаторной насадки, сплошные — случаю, когда кавитаторная насадка не применялась. Очевидно, что использование кавитаторной насадки ускоряет прогрев воды в цистерне.

Коэффициент преобразования энергии (КПЭ) подогрева [4] был определен как частное от деления

117- ___ —'

0,6

0,5- / 3 / / _______

0,4-

0,30,2- / / ^ 2/у -

0,1 - /'_'.-**

0- А"'

60 50 40 30 20 § ю о

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 Подача, л/с

Рис. 3. Зависимость КПД и потребляемой мощности насоса ПН-40УВ от подачи: 1 — мощность; 2 — КПД при 2700 об./мин; 3 — КПД при 2100 об./мин; 4 — КПД при 1600 об./мин

t,° С 20 15 10 5 0

-5

3

J_____

h

fnd

0

15 30 45 60 75 90 105 т, мин

Рис. 4. Динамика прогрева воды в цистерне пожарного автомобиля АЦ-2,0-40(4333)17ВР способом многократной рециркуляции по кругу цистерна - насос - цистерна (температура окружающего воздуха (5±1) °С): 1, 2 — среднеобъемная температура воды при ее подаче в цистерну посредством напорно-всасывающих рукавов и ствола РС-70 с кавитаторной насадкой и без нее соответственно; 3, 4 — среднеобъемная температура воды при ее подаче в цистерну посредством напорно-всасываю-щих рукавов с кавитаторной насадкой и без нее соответственно

величины тепловой мощности, выделившейся в термодинамической системе, на величину мощности, потребляемой насосом ПН-40УВ от двигателя базового шасси. При этом КПД насоса ПН-40УВ в опытах с применением ствола РС-70 принимался равным 13 и 12 % (см. рис. 3) при подачах 7,8 и 7,5 л/с соответственно, поскольку частота вращения вала рабочего колеса в этих экспериментах была одинаковой и составляла 1600 об./мин. В остальных экспериментах КПД насоса принимался равным 48 и 46 %, поскольку измеренная тахометром частота составляла 2100 об./мин при соответствующих подачах 32,2 и 28,8 л/с. Таким образом, был достигнут КПЭ водоподогрева (см. табл. 2) в пределах 51,4-144,3 % соответственно в случаях наличия ствола РС-70 (с внутренним диаметром на срезе — 25 мм) и без него (внутренний диаметр рукава — 75 мм).

Обсуждение полученных и обработанных экспериментальных данных позволяет сделать следующие заключения.

Прежде всего, несколько смущает эффективность подогрева, поскольку достижение КПЭ величиной больше единицы на первый взгляд вступает в противоречие с законами физической науки. Тем не менее получение столь высокого значения КПЭ подогрева в принципе, по-видимому, возможно. Так, например, некоторым исследователям [4] удалось довести КПЭ подогрева воды до 200 и даже 350 % [5].

Вместе с тем обращает на себя внимание (см. рис. 4) превалирующий вклад в гидродинамический подогрев собственно пожарного насоса и относительно низкий — кавитаторной насадки. Отсюда очевидно, что дальнейшее повышение эффективности предложенного способа водоподогрева целесообразно попытаться достичь по двум основным направлениям.

Первое. Кривая КПД пожарного насоса является функцией расходов. Поскольку КПД при малых подачах возрастает не скачкообразно, а монотонно (см. рис. 3), то на пожарных автомобилях, предназначенных для применения в низкотемпературных условиях, целесообразно устанавливать более мощные спецагрегаты с номинальными подачами не менее 60 л/с с тем, чтобы обеспечить, при необходимости, большую эффективность гидродинамического подогрева воды непосредственно в центробежном пожарном насосе. Однако реализация такого конструктивного решения — вопрос будущего.

На практике же, при необходимости форсированного подогрева воды в цистерне, как следует из формул (1) и (2), необходимо тем или иным образом увеличить подачу воды и, особенно, напор, для чего следует полностью открыть задвижки насоса "Из цистерны" и "В цистерну" наряду с повышением частоты вращения вала рабочего колеса, тем самым обеспечить максимально большую подачу воды через кавитаторную насадку.

Второе. На рис. 3 кривые ^ =/) и N =/) вплоть до номинальных подач располагаются практически эквидистантно. Следовательно, по мере увеличения подач большая часть мощности, потребляемой насосом, трансформируется им в механическую мощность потока. Поэтому перспективны эксперименты по подогреву воды с помощью кавитаторной насадки именно на режимах с повышенными подачами.

Относительно низкий вклад кавитаторной насадки в эффект подогрева может быть объяснен значительным (75 мм) расстоянием между ее дефлек-торной пластиной и соединительной головкой напорно-всасывающего рукава (или спрыском ствола РС-70). Для дальнейших исследований по поиску путей повышения эффективности примене-

ния кавитаторной насадки для водоподогрева, очевидно, необходимо провести дополнительные эксперименты, в которых предполагается исполнить зазор между дефлекторной пластиной кавита-торной насадки и стволом меньше 6,25 мм при диаметре спрыска 25 мм и меньше 18,7 мм при диаметре 75 мм, что будет способствовать превращению кинетической энергии струи в теплоту непосредственно на дефлекторной жесткой пластине. При этом будет автоматически обеспечен еще более весомый вклад кавитационных эффектов в результирующий водоподогрев.

Возможно, имеет смысл на пожарной технике, предназначенной для эксплуатации в низкотемпературных условиях, использовать теплоизолированную цистерну с погружным электронасосом типа "Родничок", оборудованным кавитаторной насадкой. Для привода данного насоса следует предусмотреть на двигателе базового шасси монтаж более мощного электрогенератора.

Таковы технология и перспективы многофакторного воздействия на процесс генерации теплоты для подогрева воды в пожарной емкости, когда вода последовательно энергизуется сначала в спецагрегате — пожарном центробежном насосе, затем при ударе о препятствие — кавитаторную насадку и, наконец, благодаря кавитационным эффектам.

Выводы

1. Экспериментально показана практическая возможность исключить замораживание цистерны с водой пожарного автомобиля посредством многократной рециркуляции (перепуска) воды по кругу цистерна - пожарный насос - кавитаторная насадка - цистерна. При этом эффективность подогрева воды прямо пропорциональна величинам ее подачи и напора.

2. Дальнейшее повышение эффективности предложенного способа водоподогрева возможно достичь по двум основным направлениям. Первое — это гидродинамический подогрев воды непосредственно в центробежном пожарном насосе. Для этого в конструкциях пожарных машин для низкотемпературных условий целесообразно предусматривать более производительные спецагрегаты. Второе направление предполагает перспективность работы по подогреву воды с помощью кавитаторной насадки именно на режимах с повышенными подачами и напорами.

3. Намечены меры по модернизации конструкции кавитаторной насадки.

4. Анализ имеющихся литературных данных позволяет утверждать, что в процессе настоящего исследования впервые получены аналитические зависимости (формулы) для расчета эффективной мощности струи (потока) жидкости.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент РФ № 2245729 / М. А. Савин, Ю. А. Кошмаров [и др.].

2. Пожарная техника : учебник/ Под ред. М. Д. Безбородько. — М.: Академия ГПС МЧС России, 2004. — 550 с.

3. Кнэпп, Р. Кавитация / Р. Кнэпп, Дж. Дейли [и др.]. — М. : Мир, 1974. — 688 с.

4. Потапов, Ю. С. Вихревая энергетика и холодный ядерный синтез с позиции теории движения / Ю. С. Потапов, Л. П. Фоминский. — Кишинев-Черкассы : ОКО-плюс, 2000. — 386 с.

5. Патент РФ № 2142604 / А. Д. Петраков.

Материал поступил в редакцию 16.03.09. © Савин М. А., Боровских А. М., Семиноженко В. В., 2009 г.

(тел.: +7 (343) 360-81-46, 360-81-50).