CC BY
97
А. Д. БУЛВА, старший преподаватель кафедры управления защитой от чрезвычайных ситуаций ГУО "Командно-инженерный институт" МЧС Республики Беларусь (Республика Беларусь, 220118, г. Минск, ул. Машиностроителей, 25; e-mail: [email protected])
УДК 614.878:661.715
ПРИМЕНЕНИЕ ВОДЯНЫХ ЗАВЕС
ДЛЯ ОГРАНИЧЕНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ
ОПАСНЫХ ПРИМЕСЕЙ В АТМОСФЕРЕ
Предлагается математическая модель вовлечения воздуха с опасными примесями распыленными водяными струями, а также метод оценки эффективности работы распылителей при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) химически опасных и пожаровзрывоопасных веществ, методика расчета требуемого количества распылителей и методика определения мест их постановки относительно зоны выброса (пролива).
Ключевые слова: распылитель; водяная завеса; эффективность применения; вовлечение воздуха; перемешивание воздуха; чрезвычайная ситуация; химически опасное вещество.
Для ограничения распространения в атмосфере химически опасных и пожаровзрывоопасных веществ наибольшее распространение получили водяные завесы. При этом в ряде исследований [1-5] внимание акцентируется на том, что наибольший эффект при их применении обусловлен именно вовлечением водяными струями воздуха с опасными примесями с последующим их перемешиванием и рассеиванием, что позволяет в значительной степени снизить концентрацию опасных веществ за завесой.
Выходящая из сопла струя за счет действия внутренних и внешних сил разрушается, в результате чего образуется множество мелких водяных капель. Вовлечение воздуха в струю и его перемешивание обусловлены, в первую очередь, передачей импульса от движущихся капель воды к окружающему воздуху. Данный эффект возможен благодаря наличию силы аэродинамического сопротивления движению капли.
Основными факторами, способствующими дроблению струи, являются [1]:
• скорость истечения жидкости;
• геометрические размеры сопел (диаметр, угол раскрытия и форма струи);
• динамический коэффициент вязкости жидкости;
• плотность и поверхностное натяжение жидкости;
• плотность и давление окружающей среды. Следует сказать, что эффективность вовлечения
и перемешивания воздуха водяной струей определяется целым рядом физических и геометрических параметров как отдельной струи, так и водяной завесы в целом. Основными из них являются:
• форма струи (плоская, конусообразная и т. д.);
© БулваА. Д., 2013
• размеры и скорость движения капель в раздробленной части струи;
• положение водяной завесы и направление движения капель (нисходящие и восходящие водяные струи).
В ряде работ указывается на то, что увеличение размера капель воды в распыленной части струи способствует уменьшению объема вовлекаемого воздуха, но эффективность перемешивания и рассеивания примесей при этом выше, чем у водяных струй с меньшим размером водяных капель [2]. Причина этого видится в том, что водяные струи с мелкими каплями хуже перемешивают и рассеивают опасные примеси в воздухе из-за низких средних скоростей движения. Это в значительной степени обусловлено снижением турбулентности самого водяного потока.
Таким образом, для обеспечения качественного перемешивания и рассеивания опасных примесей в атмосфере с помощью водяных завес последние должны обеспечивать не только определенную объемную, но и соответствующую линейную скорость вовлечения воздуха.
Следует сказать, что проблема вовлечения воздуха водяными струями привлекла внимание многих исследователей, особенно западных, таких как Pana, Heskestad, Palazzi, Van Doom и др. [2-5]. Однако эти авторы сосредоточили внимание в своих работах в основном на исследовании различных типов конических струй, направленных вниз, которые применяются для рассеивания и перемешивания в основном тяжелых примесей. В то же время в случае аварий могут выбрасываться и достаточно легкие
вещества. Тогда эффективнее оказываются именно восходящие струи и формируемые ими завесы.
В настоящее время экспериментальных и теоретических исследований по взаимодействию восходящих струй водяной завесы и опасных примесей в окружающей среде проведено сравнительно немного. При этом их основная цель — получение качественных данных и зависимостей, характеризующих взаимодействие конкретной завесы, создаваемой с помощью известного распылителя, и конкретной примеси в атмосфере (аммиак, хлор, сжиженные углеводороды, углекислый газ и др.) [6-9].
В работе предпринята попытка построения простой математической модели вовлечения воздуха восходящими водяными струями с целью оценки скорости вовлечения и качества соответствующего эффекта, а также теоретической оценки объема воздуха, перемешиваемого водяными струями. Предлагается методика расчета требуемого количества распылителей для ограничения распространения опасных примесей в атмосфере и сравнительная оценка распылителей для формирования защитных водяных завес.
В основу построения математической модели вовлечения воздуха водяной завесой положен второй закон Ньютона для отдельной водяной капли, движущейся в воздухе.
При построении модели будем использовать следующие допущения:
• струя жидкости в атмосфере и вовлекаемый воздух не сжимаемы;
• капли имеют сферическую форму и распределяются в раздробленном потоке равномерно по сечению струи;
• аэродинамическое сопротивление отдельной капли не зависит от движущихся рядом капель воды;
• поток вовлекаемого воздуха по сечению струи распределен равномерно;
• взаимодействием отдельных капель в раздробленной струе пренебрегаем (не учитываем их слияние, последующее дробление и т. д.).
Для единичной водяной капли массой тк (кг), движущейся в воздухе вверх, закон Ньютона в проекции на вертикальную ось можно представить в виде:
к к = -т„ я - Р
а г
(1)
где vк — средняя мгновенная скорость капли в заданный момент времени, м/с; Рс — аэродинамическая сила сопротивления воздуха движению капли, Н;
Ра — сила Архимеда, Н (этой силой ввиду ее незначительности в дальнейшем пренебрегаем). Считаем, что за очень малый промежуток времени средняя мгновенная скорость капли на участ-
ке высотой АН остается практически неизменной. Тогда выражение (1) можно представить в следующем виде:
т к V к к к к =-т„я - Р
АН
Из выражения (2) получаем:
^ к
ан
(2)
(3)
Для дальнейших расчетов массу вовлекаемого воздуха в каком-либо сечении струи обозначим твозд (кг), площадь поперечного сечения струи — Лв (м2), скорость вовлекаемого воздуха — vвOзД (м/с), число капель воды, генерируемых в струе в единицу времени, — Ык (с-1). Тогда для вертикальной восходящей струи можно записать следующее уравнение:
А(т
)
-воадг возд 7 = N к Рсаг - т возд g . (4)
Тогда из выражения (4) получаем:
2 л а г I
= (Nк Рс - Р возд Л в ^озд g )А г, (5)
А(р возд Vвозд Л в а г )
а г ~ ^к^с р возд ^ в у возд
где рвозд — плотность воздуха, кг/м3. Из уравнения (5) имеем:
а(р
возд ^озд ~ в
Л в) N к РС
аН
Р возд Л в VBOЗД g (6)
С изменением высоты изменяется и площадь поперечного сечения водяной струи, т. е. имеет место функциональная зависимость
Лв = Лв(Н). (7)
В модели будем рассматривать коническую струю с половинным углом ее раскрытия 0 (рис. 1); сечение струи в достаточном приближении будем считать круглым. Тогда его площадь можно представить в следующем виде [10]:
(8)
Рис. 1. Схема конической восходящей струи
g
vк тк vк
V
к
к
Число капель воды генерируемых в единицу времени, можно определить по формуле
N = Qв Рв /«к, (9)
где Qв — расход воды из сопла, м3/с; рв — плотность воды, кг/м3. Силу аэродинамического сопротивления движущейся капли представим в виде [11]:
Р V2
^с = С к 5 к Рвозд2 отн , (10)
где Ск — коэффициент аэродинамического сопротивления капли, зависящий от числа Рейнольдса [2, 4];
Ск = (11)
В—коэффициент, приведенный в [4]; В = 12,6; Яе — число Рейнольдса, определяемое по формуле
Яе = Л к ^тн Авозд; (12)
Лк — средний эффективный диаметр капли, м; Уотн — относительная скорость капли, м/с;
^тн Vк ^озд ; (13)
увозд — кинематическая вязкость воздуха, м2/с; 5к — площадь лобового сопротивления капли, м2;
5 к 2/4.
(14)
Подставляя выражения (11)-(14) в (10), определим силу аэродинамического сопротивления движущейся капли:
.- I 1 __г 2
?с = Вф
(15)
Лк (Vк - ^озд ) 2
Хр (V - V )2.
возд к возд
Учитывая уравнения (3), (6), (8) и (15), получаем систему уравнений:
ёVк = —§ 3 р возд в л/^ возд (vк Vвозд )
ё к V* 4 р в V,, й„
312
ё V,
ё к
= 3 Ов
8 5 в ^
(V — V )
к возд
Л .
3/2
(16)
ё 5 в
Vк Vвозд 2vк 25вёк возд'
Из уравнения (8) получаем:
ОПТ = 2^к 9. а к
(17)
Интегрирование уравнений (16) с использованием (17) позволяет дать оценку линейной скорости вовлечения воздуха водяными струями.
Для решения системы уравнений (16) необходимо определить начальные условия: начальную скорость капли, начальную скорость вовлечения воз-
духа, расстояние от сопла, где сплошная струя претерпела разрушение на отдельные капли.
В распыленной струе выделяют, как правило, три участка [1,2]:
• участок сплошного потока до достижения струей определенного диаметра;
• участок начала распада струи, на котором происходит формирование капель жидкости;
• участок окончательного формирования капель, на котором начинается их самостоятельное движение.
В реальных распыленных струях 2-й и 3-й участки находятся рядом. Для практических целей можно считать, что они находятся в одной плоскости.
Начальную скорость движения капель можно принять равной средней скорости участка сплошной струи на 2-м участке. Для горизонтальных распылителей и вертикальных форсунок этот участок располагается практически рядом с соплом. Тогда для определения начальных скоростей движения капель v0к (м/с) можно воспользоваться следующим соотношением [12]:
Бт2 9
2(1 — соб 9)
(18)
где vж — скорость жидкости на выходе из сопла, м/с.
Начальную скорость вовлекаемого воздуха на 3-м участке струи v0вOзД (м/с) можно определить по зависимости, полученной экспериментально в ходе измерения скорости вовлечения воздуха на срезе сопла различных распылителей с помощью чашечного анемометра МС-13:
Voвозд «(0,15+0,25) V*.
(19)
Длина участка струи от сопла распылителя до сечения I (м), где начинается самостоятельное движение капель, определяется по формуле [12]:
Лс
I = 0,29-
БШ 9
(20)
где Лс — диаметр выходного сопла, м.
Следует отметить, что для рукавных распылителей начальный участок имеет, как правило, большую длину, обусловленную небольшим корневым углом, значительной скоростью истечения жидкости и коротким цилиндрическим соплом. Длина этого участка определяется экспериментально.
Скорость жидкости на выходе из сопла зависит от его гидравлических характеристик и избыточного давления. При этом скорость жидкости можно определить по одной из следующих зависимостей [1,12]:
или
^ = ф4 2Р1Р в
Vж = 4О в/(цлЛ с2),
(21)
(22)
возд
1
где ф и ц — коэффициенты соответственно скорости и расхода насадки, зависящие от ее гидравлических характеристик (определяются опытным путем либо из технической документации); Р — давление жидкости на насадке, Па. Еще один необходимый параметр для решения системы уравнений (16) — это эффективный диаметр капли *к.
При истечении распыленной жидкости из сопла генерируется, как правило, широкий диапазон капель различного размера. Анализ имеющихся литературных данных показывает, что в качестве эффективного диаметра для проведения настоящих расчетов целесообразно использовать объемно-поверхностный диаметр Саутера [2, 12], при котором капля сохраняет как объем, так и площадь поверхности:
Е • п
* к = - /2
Е *2
(23)
где * — значение диаметра капли, соответствующее середине интервала, м; П — число частиц, попавших в заданный интервал.
В качестве распылителей в настоящее время могут применяться различные типы форсунок: струйные, центробежные, ударно-струйные, с соударением струй, комбинированные и др. Тип используемого распылителя оказывает существенное влияние на эффективный диаметр капли. Поэтому в качестве расчетного используют данные справочной литературы или результаты испытаний либо производят расчет, исходя из типа используемой форсунки (сопла) для формирования распыленной струи.
В работе [13] для практического определения объемно-поверхностного диаметра капель предлагается использовать следующую зависимость:
* к = 0,02108Vж4/3 *с1/12. (24)
Для упрощения системы (16) введем следующие коэффициенты:
в4
а =
возд
Р = 3 е
8 Лtg20'
3 Р возд
У = Т д
4 Р в
(25)
(26) (27)
Тогда система уравнений (16) примет следующий
вид:
а V,,,
Р (v к v возд )
3/2
аН Н2 Vк Vв,
аVк -g (v к - v возд )
— =--уа- д
а н V к V,
Н V возд 2vк ;
3/2
(28)
Таким образом, решая систему уравнений (28), можно получить скорость вовлечения воздуха и скорость капли на любой высоте распыленной струи.
Систему уравнений решим методом Рунге-Кутта 4-го порядка с использованием программного обеспечения МаШСАБ 14.0, задавшись следующими исходными данными:
• диаметр рукавного распылителя — 66 мм, общий расход жидкости — 1110-3 м3/с, диаметр единичного сопла — 510-3 м, число сопел — 40;
• для упрощения принимаем равномерное распределение жидкости между соплами;
• расход жидкости из сопла Qв = 0,275-10-3 м3/с;
• половинный корневой угол 0 = 5°;
• диаметр сопла *с = 5-10-3м;
• коэффициент расхода ц = 0,99. Остальные параметры рассчитываем. Скорость жидкости на выходе из сопла по формуле (22):
4 • 0,275 • 10-
0,99 • 3,14 • (5 • 10-3)2
= 14,2 м/с.
Начальная скорость движения капель по формуле (18):
Бт2 5°
V0к = 14,2 '
2 • (1 - соб 5°)
= 14,1 м/с.
Начальная скорость вовлекаемого воздуха по формуле (19):
voвозд * (0,15+0,25)-14,1 * 2,0 м/с.
Длину участка струи от сопла распылителя до сечения, на котором начинается самостоятельное движение капель, примем условной (как уже отмечалось ранее, для рукавных распылителей эта величина может быть определена экспериментально).
Объемно-поверхностный диаметр капель по формуле (24):
*к = 0,02108 • 14,1-43 • 0,005^12 * 4 • 10"4 м.
Кинематическая вязкость воздуха: Увозд = 0,0000133 м2/с.
Значения коэффициентов системы по (25)-(27): 12,6 •л/0,0000133
а =
(4 • 10 -4)3'2
3 0,275 • 10-
У =
8 3,14 • tg2 5° 3 1,29
= 5744;
= 0,0043;
4 1000
= 0,0009675.
Результаты численного расчета представлены на рис. 2.
^ж =
в
3
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 х Высота, м
Рис. 2. Результаты расчета в программе МаЛСЛБ 14.0изме-нения скорости вовлечения воздуха (а) и вертикальной составляющей скорости движения капли в струе (б)
Задаваясь другими исходными данными и используя параметры реальных распылителей, мы получаем зависимости, аналогичные представленным на рис. 2.
Хотелось бы еще раз обратить внимание на график, приведенный на рис. 2, где по оси х показан не весь участок струи, а только тот, на котором происходит дробление струи на отдельные капли. Полная высота струи будет равна сумме высот участка со сплошным участком и раздробленным.
Таким образом, можно сделать вывод, что эффект вовлечения воздуха присутствует в распыленной струе, однако ввиду небольших скоростей вовлечения он не оказывает существенного влияния на ограничение распространения опасных примесей в атмосфере, а обеспечивает более тщательное перемешивание примеси. Для вертикальной восходящей струи данный эффект обуславливает еще и подъем опасного облака над землей.
Расчеты, проведенные для горизонтальных водяных струй по вовлечению воздуха по несколько измененной математической модели, построенной по тем же соображениям, что и выше, дают схожие результаты.
Другим, более важным и существенным, на наш взгляд, эффектом при использовании водяных завес, как горизонтальных, так и вертикальных, должен быть именно эффект перемешивания водяными струями воздуха с опасными примесями.
Попытаемся дать ему количественную и качественную оценку. Для этого силу сопротивления воздуха водяной завесе запишем в следующем виде:
^с = С5 (р возд/2) V2, (29)
где С — коэффициент аэродинамического сопротивления капли воды;
5 — площадь, занимаемая капельной жидкостью, м2;
V — скорость струи в некоторый момент времени, м/с.
Сила сопротивления воздуха равна силе реакции воздуха на движущуюся водяную струю, что можно представить в следующем виде:
Рс = С5 (р возд/2>2 = 0 р возд V
откуда
О = С5^ 2,
где 0 — объем воздуха, перемешиваемого в единицу времени, м3/с.
Объем перемешиваемого воздуха изменяется по сечению струи и зависит в основном от площади, занятой капельной жидкостью, и скорости движения капель.
Площадь, занятую капельной жидкостью, можно представить в виде:
5 (ь) = 5 к N к г г г =
«к
«к
Л Л к °вр в
(л Л к/6).
3 О в
2 Лк Ь.
Изменение площади капельной жидкости за малый промежуток времени ёь составит:
ё5 = - &.
2 Л к
Если учесть, что скорость капельной жидкости за малый промежуток времени и коэффициент аэродинамического сопротивления остаются практически неизменными, то изменение объема воздуха, перемешиваемого в единицу времени, можно записать в следующем виде:
¿0 = = 2 Vь, (30)
* 2 4 Лк
где V ёь — путь, пройденный каплями струи за малый промежуток времени.
Интегрируя выражение (30) по осям х, у и 2, получаем:
О = 3 С^ч/1} + 202, (31)
0 4 Л к ' ^
где Ь — длина (высота) распыленной струи, м; О — конечный диаметр (приведенный конечный диаметр, если площадь поперечного сечения распыленной струи имеет неправильную форму), м.
Приведенный диаметр распыленной струи можно определить по формуле
О =л/45 та*/ Л ,
где 5тах — максимальная площадь сечения распыленной струи, м2.
Коэффициент аэродинамического сопротивления изменяется по длине струи и зависит от числа Рей-нольдса, диаметра и скорости капель воды. Но в конкретной струе на ее основном участке изменения коэффициента аэродинамического сопротивления практически не происходит, т. е. для каждого конкретного распылителя при заданных параметрах коэффициент аэродинамического сопротивления можно считать постоянным и соответствующим среднему диаметру капель.
Для его определения можно воспользоваться формулой (11) или соотношением для чисел Рейнольдса от 1 до 1000 [14]:
С = 24/Яе + 4/Ке0'33 . (32)
Значения, полученные по формулам (11) и (32), как видно на рис. 3, практически совпадают. Для определения коэффициента аэродинамического сопротивления в зависимости от среднего диаметра капель можно воспользоваться графиком (см. рис. 3) либо полученной в результате аппроксимации формулой
С * 15,923^^0>491, (33)
где йк — средний объемно-поверхностный диаметр,
мкм.
Анализ зависимостей, предложенных рядом исследователей для различных скоростей и эффективных диаметров капель распыленных струй, позволяет говорить о том, что средний коэффициент аэродинамического сопротивления в большинстве случаев остается в диапазоне 0,5-0,8. В работе [15] предлагается использовать для распыленных струй коэффициент, полученный экспериментально: С =0,63.
Для сравнительной оценки различных распылителей целесообразно ввести и использовать коэф-
0 500 1000 1500 <1, мкм
Рис. 3. Изменение коэффициента аэродинамического сопротивления в зависимости от эффективного диаметра капель
фициент эффективности завесы (коэффициент использования воды) кэф, равный отношению объема перемешиваемого воздуха к расходу воды из сопла.
Этот коэффициент показывает, какой объем воздуха (м3) перемешивается 1 литром воды:
эф - Qв - 4 С
2D1
(34)
Сравнивая коэффициенты эффективности завесы (коэффициенты использования воды) для различных распылителей, можно оценить и эффективность технических средств, с помощью которых формируются завесы. В табл. 1 приведен их сравнительный анализ и выделены наиболее эффективные распылители.
Чтобы уменьшить объемную концентрацию опасных веществ до некоторого безопасного значения Сбез, водяные завесы должны быть способны перемешивать окружающий воздух с опасными примесями с объемной скоростью, превышающей приток газовой примеси.
Таблица 1. Сравнительная характеристика различных типов распылителей
Тип ствола Расход из сопла, л/с Давление, МПа Длина струи, м Диаметр струи, м Q, м3/с кзф
CHIEF 4000-13 9,48 0,7 19,6 10,5 367,26 38,74
Select-o-Matic SM-30 FG 18,95 0,7 26,6 14,25 1530 80,74
Phantom SFM-HPG 7,9 0,7 21 11,25 400,15 50,65
СПРК-50 5,66 0,7 12,5 6,7 251,32 44,4
РСП-70 7,6 0,6 10 7,3 127,16 16,73
РСКЗ-70 4,8 0,6 12,5 9,1 113,82 23,71
СРВД 1,6 3 17,2 7,6 62,39 38,99
РСП-50 2 0,6 12 8,7 40,015 20,01
НРТ-5 5 0,6 20 8 277,96 55,59
НРТ-10 10 0,6 25 11,3 717,85 71,78
НРТ-20 20 0,6 35 16 2016,6 100,8
РВ-12 12 0,6 8 8 261,9 21,82
РР (20x0,066x0,5x0,005) 11 0,7 5,5 16 403,43 36,7
РР (20x0,066x0,5x0,006) 15 0,7 6,5 19,5 541,4 36,1
Если общая объемная скорость притока парогазовой фазы составляет ч,, а общая объемная скорость перемешивания воздуха Чс, то безопасную концентрацию Спр можно выразить формулой
Ч, (Т/То)
С пр _
Чс + Ч, (Тс/То )
(35)
где Тс /Т0 — параметр, учитывающий расширение объема паров при их нагреве от температуры холодных паров Т0 до температуры смеси Тс. Из формулы (35) следует, что необходимое отношение объема перемешиваемого воздуха к объему приточного определяется выражением
1 - С п
" (36)
ЧV
пр
С пр(То/ Тс)'
При необходимости рассеивания паров химически опасных веществ до безопасных концентраций значение Спр будет соответствовать значениям предельно допустимых концентраций; при рассеивании паров пожаровзрывоопасных концентраций значение Спр можно принять в целях безопасности равным половине нижнего концентрационного предела распространения пламени.
Оценим величину чс/ч, при аварийном проливе, например, метана, пропана, аммиака и хлора по формуле (36). Данные сведем в табл. 2.
Стоит отметить, что в рассмотренной модели перемешивания любое предварительное разбавление с помощью ветра или посредством разбавляющих средств не отражается на окончательной концентрации разбавленных паров, если концентрация последних не была снижена самими разбавителями ниже уровня, на который рассчитана струйная система. Данный вывод основан на том, что воздух, перемешанный с парами во время предварительного разбавления, должен перемешиваться также струйной системой, становясь частью Чс.
Объемная скорость притока парогазовой фазы Ч, определяется в зависимости от скорости ветра, типа вещества, температуры окружающей среды и подстилки пролива, площади пролива (приведенной площади пролива) и др.
Объемную скорость паров опасного химического вещества, поступающего в атмосферу при испа-
Таблица 2. Оценка требуемой кратности объема перемешиваемого воздуха к объему притока парогазовой смеси
Вещество Нижний концентрационный предел распространения пламени СНКПР Безопасная концентрация ^пр Требуемое значение Чс/Ч,
Метан 0,05 0,025 103
Пропан 0,023 0,0115 109
Аммиак - 0,00028 3600
Хлор - 0,000014 70000
рении с поверхности пролива в условиях вынужденной конвекции газового потока, можно определить, воспользовавшись справочными данными или из уравнения [9]:
Чс =
4,66 • 10 (5,38 + 4,1м) Гр (Т)
4М
где и — скорость движения воздуха над поверхностью пролива, м/с;
17 2
Г — площадь пролива, м ; р(Т) — парциальное давление паров над поверхностью пролива при температуре Т, Па; М — относительная молекулярная масса вещества.
Например, скорость притока парогазовой смеси хлора в зависимости от скорости ветра и площади пролива приведем, воспользовавшись [16]. Данные сведем в табл. 3.
Для количественной оценки требуемого количества распылителей для рассеивания опасных примесей в атмосфере зададимся следующими условиями: площадь пролива хлора— 10 м2, скорость ветра — 2 м/с. Требуется определить количество рукавных распылителей РР (20x0,066x0,5x0,006), необходимое для ограничения распространения опасного облака.
По табл. 3 определяем, что при заданных условиях скорость притока парогазовой смеси ч, = 0,08 м3/с. По табл. 2 находим чс/ч, = 70000. Тогда необходимая общая скорость перемешивания воздуха чс = = 70000 0,08 = 5600 м3/с.
Таблица 3. Оценка объемной скорости притока парогазовой смеси хлора в зависимости от скорости ветра и площади пролива
Площадь пролива ^м2 Скорость ветра, м/с Скорость притока парогазовой смеси, м3/с Площадь пролива ^м2 Скорость ветра, м/с Скорость притока парогазовой смеси, м3/с
1 2 0,008 40 2 0,34
5 0,017 5 0,68
7 0,024 7 0,95
5 2 0,04 50 2 0,42
5 0,08 5 0,84
7 0,12 7 1,18
10 2 0,08 60 2 0,51
5 0,17 5 1,01
7 0,24 7 1,42
20 2 0,16 70 2 0,59
5 0,34 5 1,18
7 0,47 7 1,66
30 2 0,25 80 2 0,68
5 0,51 5 1,35
7 0,71 7 1,9
Таблица 4. Зависимость угла горизонтального рассеивания и расстояния прокладки распылителей от скорости ветра
Скорость ветра, м/с Угол горизонтального рассеивания, град Формула для определения расстояния прокладки распылителей от места пролива, м
Менее 1 360 Я = ¿зав/(2я)
1-2 90 Я = 2 ¿зав/я
3-6 45 Я = 4 ¿зав/я
7 и выше 24 Я = 8 ¿зав/ я
Один рукавный распылитель РР (20х0,066х0,5х х 0,006) обеспечивает перемешивание Q = 541,4 м3/с (см. табл. 1). Следовательно, общее расчетное количество рукавных распылителей п для постановки водяных завес должно составлять:
п = д= 5600/541,4 « 10.
Однако для разработки окончательной схемы расстановки распылителей необходимо учитывать угол горизонтального рассеивания паровоздушного облака в зависимости от скорости ветра, определяющего расстояние от места пролива, где будет осуществляться постановка водяных завес. Обычно используют 2-3 эшелона водяных завес, но при значительных проливах (выбросах) их может потребоваться значительно больше. В табл. 4 приведены значения углов горизонтального рассеивания газопаровоздушных облаков в зависимости от скорости ветра [16,17]. Из геометрических соображений для полного перекрытия газопаровоздушного облака водяными завесами в зависимости от скорости ветра и ширины завес Ьзав, формируемых распылителями, можно определить расстояние прокладки распылителей от места пролива (выброса) Я.
Возвращаясь к задаче, принимаем, что для локализации облака будет использовано три эшелона водяных завес. При скорости ветра 2 м/с угол горизонтального рассеивания составляет 90° (см. табл. 4). Один рукавный распылитель позволяет формировать ширину водяной завесы, равную около 20 м.
Принимаем три эшелона для постановки водяных завес. Так как общее количество распылителей равно 10, распределяем их равномерно с постепенным увеличением в каждом эшелоне, т. е. в первом
эшелоне — 1 рукавный распылитель (¿1ав = 20 м), во втором—3(£Г=60 м), в третьем—6(^3ав=120 м).
Определим расстояние прокладки рукавных распылителей от места пролива по формуле в табл. 4: • первый эшелон:
R =
второй эшелон:
R 2 =
2L2aB
2 • 20 3,14
2 • 60 3,14
= 12,7 « 12 м;
= 38,2 « 40 м;
третий эшелон:
R з =
2L3aB
2 • 120 3,14
= 76,4 « 75 м.
При использовании стволов-распылителей и насадок в качестве ширины завесы принимается длина распыленной части струи.
Таким образом, предложенная методика позволяет не только рассчитывать оптимальное количество распылителей для постановки водяных завес, но и определять наиболее оптимальные схемы их расстановки в процессе локализации облака с опасными примесями.
Заключение
В работе предложена математическая модель для расчета скорости вовлечения воздуха восходящими водяными струями. Создана программа в среде МаШСАБ, с помощью которой выполнено численное моделирование вовлечения воздуха восходящими водяными струями. Установлено, что важнейшим фактором, влияющим на распространение опасных примесей в атмосфере при постановке водяных завес, является эффект перемешивания. Предложен метод количественной оценки перемешивания воздуха водяными струями. Для сравнительного анализа различных распылителей введен коэффициент эффективности завесы. С помощью этого коэффициента проведен сравнительный анализ применения различных типов распылителей для ограничения распространения опасных примесей в атмосфере; предложена методика расчета их количества, необходимого для локализации чрезвычайной ситуации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Иванов Е. Н. Противопожарное водоснабжение. — М. : Стройиздат, 1986. — С. 316.
2. Rana M.A. Forced dispersion of liquefied natural gas vapor clouds with water spray curtain application: PhD diss. — Texas, 2009. — 232 p.
3. Van Doom M. The control and dispersion of hazardous gas clouds with water sprays : PhD thesis. — Delft, Netherlands : Delft University of Technology, 1981.
4. Heskestad G., KungH. C., TodtenkopfN. Air entrainment into water sprays // Factory Mutual Research Corporation Report RC77-TP-7, November 1977.
5. Palazzi E., Curro F., Pastorino R., Fabiano B. Liquid spray curtains design to contain and mitigate toxic and flammable jets and releases // Proc. 11th International Loss Prevention Symposium "Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries". — Praha, Czech Republic, 2004. — P. 3127-3136.
6. Котов Г. В., Голуб О. В. Натурные испытания по определению эффективности влияния водяных завес на распространение хлора в приземном слое воздуха // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. — 2011. — Т. 29, № 1. — С. 23-31.
7. Котов Г. В., Еремин А. П. Определение коэффициента пропускания водяных завес при ликвидации чрезвычайных ситуаций, связанных с проливом аммиака // Оралдын гылым жаршысы=Урал : науч. вестн. — 2007. — № 2. — С. 44-50.
8. Котов Г. В., Фесенко С. П., Голуб О. В. Локальный коэффициент шероховатости поверхности при постановке водяных завес и рассеивание примеси // Вестник Командно-инженерного института МЧС Республики Беларусь. — 2011. — Т. 14, № 2. — С. 19-26.
9. Сенчишак Т. И. Защитные водяные завесы для борьбы с газопаровоздушными облаками горючих газов и токсичных веществ: дис.... канд. техн. наук: 05.26.03. —М.: ВНИИПО, 2003. —170 с.
10. Карпенчук И. В., Заневская Ю. В. Дифференциальные уравнения одномерного осредненного движения распыленной струи жидкости // Чрезвычайные ситуации: предупреждение и ликвидация. — 2005. — Т. 17, № 7. — С. 14-20.
11. Fisenko S. P., Brin A. A., Petruchik A. I. Evaporative cooling of water in a mechanical draft cooling tower // Intern. J. of Heat and Mass Transfer. — 2004. — Vol. 47, No. 1. — P. 165-177.
12. ПажиД.Г.,ГалустовВ. С. Основы техники распыливания жидкостей.—М. :Химия, 1984.—256 с.
13. Ющенко Ю. Н., Лапин К. И. Технические требования к качеству распыливания воды установками пожаротушения // Горноспасательное дело. — 2011. — № 48. — С. 95-105.
14. CliftR., Grace J. R., Weber M. E. Bubbles, Drops, andParticles. —New York: Academic Press, 1978.
15. Meroney R. N., NeffD. E. Numerical modelling of water spray barriers for dispersing dense gases // J. Boundary Layer Meteorology. — 1985. — Vol. 31. — P. 233-247.
16. Об утверждении методики расчета сил и средств для постановки водяных завес при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций, связанных с выбросом (проливом) хлора: приказ М-ва по чрезвыч. ситуациям Респ. Беларусь от 27.09.2011 г. № 210 // Консультант Плюс: Версия Проф. Технология 3000 [Электронный ресурс] / ООО "ЮрСпектр". — М., 2013.
17. РД 52.04.253-90. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте. — Введ. 01.07.90 г.—Л. : Гидрометеоиздат, 1991.—23 с.
Материал поступил в редакцию 22 мая 2013 г.
= English
APPLICATION OF WATER CURTAIN FOR RESTRICTION OF HAZARDOUS POLLUTANTS IN THE ATMOSPHERE
BULVA A. D., Senior Lecturer of Management of Emergency Protection Department, State Educational Establishment "Institute for Command Engineers" of the Ministry of Emergency Situations of the Republic of Belarus (Mashinostroiteley, 25, Minsk, 220118, Belarus Republic; e-mail address: [email protected])
ABSTRACT
In order to limit the emission of chemical, fire and explosive substances in the atmosphere water units, created by using of various engineering means (hose sprayers, spray guns, turbine and fan nozzles and so on), are used the most widely. According to the analysis of published data the greatest effect of their usage is due to the involvement of water jets of air with hazardous impurities with its subsequent mixing and dispersion.
The study includes a simple mathematical model to calculate the velocity of air entrainment by rising water jets. We created a program in MathCAD environment by which the numerical simulation of air entrainment by rising water jets, formed from the spray hose, was performed. In addition, the study shows that despite the presence of the air entrainment effect in the spray jet, it can not significantly affect the limitation of the dangerous pollutants emission in the atmosphere to form small velocities.
Also the study proposes the method of estimating the amount of stirring air by spraying water jets. Based on the obtained dependence, we carried out the comparative analysis of various means for
mixing air with dangerous impurities. As a comparative test we introduced the efficiency ratio of water curtain (water usage ratio). Based on the obtained characteristics of the spray by mixing air atomized water jets, we proposed the method of calculating the required number of nozzles for making water curtain in the aftermath of emergencies caused by spillage of fire, explosion and hazardous chemical substances, we gave an example of the calculation.
Keywords: spray; water curtain; efficacy; air entrainment; air mixing; emergency; hazardous pollutants; dispensers.
REFERENCES
1. Ivanov E. N. Protivopozharnoye vodosnabzheniye [Fire water supply]. Moscow, Stroyizdat, 1986. 316 p.
2. RanaM. A. Forced dispersion of liquefied natural gas vapor clouds with water spray curtain application. PhD diss. Texas, 2009. 232 p.
3. VanDoomM. The control and dispersion of hazardous gas clouds with water sprays. PhD thesis. Delft, Netherlands, Delft University of Technology, 1981.
4. Heskestad G., Kung H. C., TodtenkopfN. Air entrainment into water sprays. Factory Mutual Research Corporation Report RC77-TP-7, November 1977.
5. Palazzi E., Curro F., Pastorino R., Fabiano B. Liquid spray curtains design to contain and mitigate toxic and flammable jets andreleases. Proc. 11th International Loss Prevention Symposium "Loss Prevention and Safety Promotion in the Process Industries". Praha, Czech Republic, 2004, pp. 3127-3136.
6. Kotov G. V., Golub O. V. Naturnyye ispytaniya po opredeleniyu effektivnosti vliyaniya vodyanykh zaves na rasprostraneniye hlora v prizemnom sloye vozdukha [Full-scale tests to determine the effectiveness of the influence of water curtains on the distribution of chlorine in the lower atmosphere]. Chrez-vychaynyye situatsii: preduprezhdeniye i likvidatsiya — Emergency situations: prevention and elimination, 2011, vol. 1, no. 29, pp. 23-31.
7. Kotov G. V., Eremin A. P. Opredeleniye koeffitsienta propuskaniya vodyanykh zaves pri likvidatsii chrezvychaynykh situatsiy, svyazannykh s prolivom ammiaka [Determination of transmittance water curtains in emergency situations related to the spillage of ammonia]. Oraldyn gylym zharshysy=Ural. Nauch. Vestn. — Ural Scientific Bulletin, 2007, no. 2, pp. 44-50.
8. Kotov G. V., Fesenko S. P., Golub O. V. Lokalnyykoeffitsient sherokhovatostipoverkhnostipripostanovke vodyanykh zaves i rasseivaniye primesi [The local surface roughness coefficient in setting water curtains and impurity scattering]. VestnikKomandno-inzhenernogo instituta MChSRespubliki Belarus — Bulletin of the Command-Engineering Institute ofBelarus Republic Emercom, 2011, vol. 14, no. 2, pp. 19-26.
9. Senchishak T. I. Zashchitnyye vodyanyye zavesy dlya borby s gazoparovozdushnymi oblakami goryu-chikh gazov i toksichnykh veshchestv: dis. kand. tekhn. nauk [Protective water units to fight with combustible gases clouds and toxic substances. Cand. tech. sci. diss.]. Moscow, All-Russian Research Institute for Fire Protection, 2003. 170 p.
10. Karpenchuk I. V., ZanevskayaYu. V. Differentsialnyye uravneniyaodnomernogo osrednennogo dvizhe-niya raspylennoy strui zhidkosti [Differential equations of one-dimensional mean flow spray of liquid]. Chrezvychaynyye situatsii: preduprezhdeniye i likvidatsiya — Emergency situations: prevention and elimination, 2005, vol. 17, no. 7, pp. 14-20.
11. Fisenko S. P., Brin A. A., Petruchik A.I. Evaporative cooling of water in a mechanical draft cooling tower. Intern. J. of Heat and Mass Transfer, 2004, vol. 47, no. 1, pp. 165-177.
12. Pazhi D. G., Galustov V. S. Osnovy tekhniki raspylivaniya zhidkostey [Basic techniques of spraying liquids]. Moscow, Khimiya Publ., 1984. 256 p.
13. Yushchenko Yu. N., Lapin K. I. Tekhnicheskiye trebovaniya k kachestvu raspylivaniya vody ustanov-kami pozharotusheniya [Technical requirements for the quality of water spraying by fire-extinguishing systems]. Gornospasatelnoye delo — Mine Rescue Work, 2011, no. 48, pp. 95-105.
14. Clift R., Grace J. R., Weber M. E. Bubbles, Drops, and Particles. New York, Academic Press, 1978.
15. Meroney R. N., Neff D. E. Numerical modelling of water spray barriers for dispersing dense gases. J. Boundary Layer Meteorology, 1985, vol. 31, pp. 233-247.
16. On the approval ofthe methodologyfor calculating theforces and means for raising water curtain in the aftermath of emergencies associated with the chlorine spillage: the Emergency situations Ministry Order on 27 September 2011 No. 210. Consultant Plus: Professional Technology Version 3000 [Electronic Resourse], LLC "UrSpectr". Moscow, 2013 (in Russian)
17. Management Document 52.04.253-90. The method ofpredicting extent of the infestation highly toxic substances in case of accidents (destruction) on chemically hazardous facilities and transport. Leningrad, Gidrometeoizdat, 1991. 23 p.
