автореферат диссертации по безопасности жизнедеятельности человека, 05.26.03, диссертация на тему:Методика расчета и моделирование процесса диссипации энергии в механических пеносмесителях пожарных автомобилей

САВЕНКОВА АНАСТАСИЯ ЕВГЕНЬЕВНА

МЕТОДИКА РАСЧЕТА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕНОСМЕСИТЕЛЯХ ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

05.26.03 - пожарная и промышленная безопасность (транспорт)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 5 ПАП 2014

Санкт-Петербург - 2014

005548255

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, профессор Алексеик Евгений Борисович

Веригин Александр Николаевич доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)», кафедра машин и аппаратов химических производств, заведующий кафедрой

Лыткин Александр Сергеевич кандидат технических наук, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени

М.В. Ломоносова» филиал в г. Северодвинске Архангельской области. Институт судостроения и морской арктической техники (Севмашвтуз), кафедра океанотехники и энергетических установок, доцент

Военный институт (инженерно-технический) ФГКВОУ ВПО «Военная академия материально-технического обеспечения им. генерала армии A.B. Хрулева» Министерства обороны Российской Федерации

Защита состоится «19» июня 2014 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 205.003.01 при Санкт-Петербургском университете Государственной противопожарной службы МЧС России (196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, дом 149).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России, dsovet.igps.ru. Автореферат разослан апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Д.Н. Саратов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Анализ обстановки с пожарами и последствий от них на территории Российской Федерации показывает, что несмотря на снижение количества пожаров и размера ущерба, причиненного народному хозяйству, уровень их пока остается достаточно высоким — 423 пожара происходило в Российской Федерации ежедневно в первом полугодии 2013 года. Большое значение для успешного проведения действий по тушению пожаров имеет качество и эффективность не только применяемого для тушения оборудования, но и огнетушащих веществ.

Достоинства воздушно-механических и химических пен как средства тушения заключаются в существенном сокращении расхода воды; возможности тушения пожаров больших площадей; реализации объемного тушения и подслойного тушения нефтепродуктов в резервуарах. Повышенная (по сравнению с водой) смачивающая способность при тушении пеной не требует одновременного перекрытия всей поверхности горения, поскольку пена способна растекаться по поверхности горящего материала. Пены генерируются в результате либо химической реакции, либо путем механического насыщения пенообразующего раствора воздухом. Основными устройствами для приготовления пенообразующих растворов в настоящее время являются эжектирующие устройства, устанавливаемые на пожарные автомобили типа АЦ. Однако механическое перемешивание остается наиболее эффективным способом интенсификации гидродинамических и массообменных процессов, что объясняется высоким коэффициентом полезного действия механических перемешивающих устройств, простотой и надежностью их конструкций.

Повышение требований к однородности растворов пенообразователей, определяющих стабильность и кратность пен, влечет за собой повышение требований к качеству (однородности) и скорости перемешивания. Весьма перспективным является применение вихревых механических смесителей, способных обеспечить большую интенсивность перемешивания за счет высокой скорости диссипации механической энергии при ее достаточно равномерном распределении по рабочему объему, например, с пеносмесителями типа ПС и ПСД

(НПБ 200-2001), устанавливаемыми в настоящее время на пожарных автомобилях типа АЦ.

Изучение этой проблемы предполагает в первую очередь углубленное исследование влияния структуры турбулентного потока на закономерности перемешивания. Влияние устойчивых когерентных образований и структуры турбулентных потоков на процессы переноса, хотя и рассматривались в теоретической гидродинамике, но до сих пор не имеют достаточного инженерного приложения. В связи с этим весьма актуальным является изучение и моделирование механизмов перемешивания в вихревых механических смесителях, для которых характерны большие скорости диссипации энергии при высокой однородности получаемых смесей и, как следствие, применение основных положений теоретической гидродинамики к разработке научно-обоснованных методов их расчета.

Цель исследования - изучение особенностей процесса механического перемешивания жидких сред, осложненного растворением твердых компонентов, в вихревых механических смесителях при больших скоростях диссипации энергии и разработка научных основ их функционирования применительно к приготовлению пенообразующих растворов.

Решались следующие задачи:

- разработать модель и методики расчета, описывающие специфику процессов перемешивания в вихревых механических смесителях, позволяющие количественно оценить возможность и качество приготовления в них пенообразующих рецептур;

- экспериментально подтвердить тождественность результатов моделирования и расчетных методик, описывающих перемешивание при высоких скоростях диссипации энергии в механических смесителях пожарных автомобилей;

- выявить влияние электрофизического воздействия на стабильность генерируемых пен и воды как огнетушащего вещества при их подготовке в вихревых механических смесителях специальных пожарных автомобилей типа АЦ.

Объект исследования - особенности гидродинамики и массообмена перемешивания при высоких скоростях диссипации энергии растворов

пенообразователей в механических вихревых смесителях для пожарных автомобилей.

Предмет исследования — математическое моделирование и методика расчета процесса перемешивания, а также его экспериментальная проверка для различных конструкций механических вихревых смесителей при приготовлении пенообразующих растворов на пожарных автомобилях.

Методы исследования. Математические методы разработки и анализа моделей перемешивания жидких сред в механических вихревых смесителях для их последующей экспериментальной верификации и разработки методик их сравнительной оценки возможности применения в качестве пеносмесителей пожарных автомобилей.

Научная новизна работы заключается в:

— разработке рабочей гипотезы, основанной на изучении эволюции поля диссипации энергии в жидкости, заключающейся в необходимости учета его неоднородности, и ее последующем экспериментальном доказательстве;

— экспериментальном подтверждении адекватности установленных аналитических зависимостей для коэффициента продольного перемешивания и их проверке для системы жидкость - твердое на основе разработанных методик расчета коэффициента массоотдачи;

— обнаружении влияния электрофизического воздействия на воду и водные растворы пенообразователей, способствующего повышению устойчивости воздушно-механической пены и огнетушащей способности воды, а также снижению критической концентрации мицеллообразования в водных растворах пенообразователя.

Практическая значимость исследования заключается в:

— установлении закономерностей диссипации энергии в вихревых механических смесителях и выявлении тенденций минимизации неоднородности поля диссипации для роторов с развитой поверхностью;

— разработке методики оценки однородности перемешивания путем установления взаимосвязи между отклонением концентрации в пробах раствора и объемами не полностью перемешанных областей;

- разработке практических рекомендаций по переоборудованию специальных пожарных автомобилей вихревыми механическими смесителями в комплексе с коробкой отбора мощности и промышленного генератора переменного частотно-модулированного сигнала.

Реализация работы. Результаты диссертационного исследования внедрены в проектную деятельность ООО «Пожнефтехим» г. Санкт-Петербург и в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета).

Основные положения, выносимые на защиту:

1) научное обоснование и моделирование специфики процессов перемешивания пенообразующих растворов в вихревых механических смесителях пожарных автомобилей;

2) методика и математическая модель особенностей процесса перемешивания жидких сред в вихревых смесителях для обеспечения тушения с помощью пожарного вооружения автомобилей типа АЦ;

3) закономерности изменения физико-химических и коллоидно-химических свойств воды и пен на ее основе при электрофизической обработке в пожарно-техническом оборудовании специальных автомобилей на их пенообразующие и огнетушащие свойства.

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научных заседаниях кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, на Международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (г. Санкт-Петербург, 2013), Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг, прогнозирование и моделирование опасных природных явлений и чрезвычайных ситуаций» (г. Железногорск, 2013), Международной научно-практической конференции «Современное общество, наука и образование: модернизация и инновации» (г. Москва, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 - в изданиях согласно перечню ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 106 источников, приложения. Общий объем работы 149 страниц, 11 таблиц, 32 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении характеризуется состояние проблемы, обосновывается актуальность и новизна темы исследования, формулируется цель диссертационной работы, научные задачи, определяются объект и предмет исследования.

В первой главе «Анализ процесса механического перемешивания жидких сред» проведен анализ процесса перемешивания жидких сред, в частности, в механических смесителях. Показано, что физической основой процессов, происходящих при механическом перемешивании жидкости, является соответствующее энергетическое воздействие, которое при этом оказывается на среду.

Проведенный анализ существующих методов описания гидродинамики и процессов переноса при перемешивании выявил следующее:

- достаточно исследованными, хотя и сложными для практического применения, являются методы моделирования перемешивания в ламинарных потоках;

- практически отсутствуют методики моделирования и расчета процессов перемешивания при турбулентном режиме течения жидкости;

- используемые в настоящее время подходы к оценке качества перемешивания не позволяют прогнозировать его достижимый уровень и не учитывают особенности проведения процесса в конкретных смесителях.

Существуют полуэмпирические подходы, которые связывают основные параметры процессов переноса и величину скорости диссипации энергии в единице массы жидкости. На их основе возможно описание процессов переноса в вихревых механических смесителях как при турбулентном, так и переходном режимах течения жидкости.

Изложение первой главы завершается формулировкой цели и задач исследования, базирующихся на предложенной рабочей гипотезе и направленных на их достижение.

Во второй главе «Объекты и методики исследования» рассматриваются основные технические, физико-химические характеристики использованных в процессе исследования жидкостей и химических реактивов, а также описания экспериментальных установок и лабораторных методик, применявшихся при изучении гидродинамики и массообменных процессов в экспериментальной части работы.

Были разработаны экспериментальная установка (рисунок 1) и несколько лабораторных аппаратов с различными роторами (рисунок 2): гладкие роторы (рисунок 2 а), роторы с дисками (рисунок 2 б), роторы с тонкими стержнями, расположенными по виткам встречных спиральных линий (рисунок 2 в). Использование роторов различной конструкции позволило проводить исследования при достаточно большом диапазоне значений величин: 0,14<2/г/£>р <1,33^ 5 <11е< 710000; 100<г<1000; ГДе И - зазор между ротором и корпусом, м; ^ -диаметр ротора, м; Яе — число Рейнольдса, определяемое для течения в целом; е -скорость диссипации, Вт/кг.

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки. 1 - электродвигатель; 2 - клиноременная передача; 3 - вал; 4 - выпрямитель; 5 - вольтметр; 6 -амперметр; 7 - тахогенератор; 8 - тахометр; 9 - блок подшипников; 10 - ротор; 11 - корпус; 12 "■■ище; 13-датчики кондуктометрические; 14-переключатель; 15 - многоканальный вольтметр; 16-генератор сигналов; 17-термометр; 18 - термостат.

а) б) в)

Рисунок 2. Конструкции роторов аппаратов:

а) — гладкий ротор; б) — ротор с дисками; в) - стержневой ротор.

Для описания происходящих в вихревых механических смесителях процессов переноса использовались различные методики. Широкое применение находят полуэмпирические методы, каждый из которых предназначен для решения конкретных задач по моделированию перемешивания. Основной их недостаток -большая часть этих теорий имеет описательный характер и не может служить основой для глубокого проникновения в фундаментальные механизмы турбулентного движения, происходящего в роторном смесителе. Наиболее общий характер носят статистические методы. Они предназначены для выявления новых корреляционных зависимостей, которые в ряде случаев позволяют дать представление о полной картине перемешивания в изучаемых аппаратах.

Кроме того, широкое применение находят качественные методы и методы, которые позволяют представить турбулентный поток как некоторую гетерогенную систему. Первые, хотя и в общих чертах, позволяют моделировать структуру потоков в аппарате, вторые - крупномасштабный перенос вещества и теплоты в аппарате.

Наибольшее развитие и применение получили численные методы, предполагающие непосредственное решение уравнений Навье - Стокса, так как они не имеют ограничений по области применения и позволяют описать работу любого аппарата с позиций происходящих в нем при перемешивании процессов.

В третьей главе «Математические основы описания перемешивания в вихревых механических смесителях» разработаны теоретические подходы описания турбулентных потоков в вихревых механических смесителях. При этом исходили из теории локально-изотропной турбулентности А.Н. Колмогорова, согласно которой среднее по объему значение скорости диссипации энергии определяется выражением £ = (Ке/Яе0)3у3//.4, (!)

где Яе - число Рейнольдса; Е — скорость диссипации, Вт/кг; у - кинематическая вязкость, м2/с; Ь - масштаб максимальных турбулентных образований, м.

Течение в образованиях масштаба X является ламинарным и диссипация энергии происходит за счет сил вязкости. Для них должно выполняться условие, что локальная скорость диссипации энергии

где ^ - масштаб минимальных турбулентных пульсаций, м; У - коэффициент пропорциональности.

Величина е' является характеристикой локальной диссипации энергии, поэтому для течения в целом должно выполняться условие е = . Число

образований И', в которых непосредственно происходит диссипация энергии е , зависит от емкостной размерности й поля диссипации энергии. Можно принять, что Ы' ={ИХ)а. После преобразований получим зависимость для расчета Е, которая учитывает емкостную размерность поля диссипации энергии

При описании переходных режимов течения поток жидкости можно рассматривать как некоторую систему с двумя равновесными состояниями; одно из равновесных состояний её отвечает ламинарному течению со скоростью диссипации (Ке), другое — турбулентному со скоростью диссипации А>(^е). Возникновение турбулентности станет возможным при Яекр, то есть когда Ел кр ) . Тогда

скорость диссипации может быть представлена

где ку — коэффициент отношения объема потока, оставшегося ламинарным, ко всему объему системы, являющийся функцией числа Рейнольдса.

Установлено, что для изучаемых аппаратов скорость диссипации энергии может определяться выражением

г* I4,

(2)

(3)

Е=ку -г,(Яе) + (1 -кг)-г:г(Яе))

(4)

где NпР - мощность, затрачиваемая на перемешивание, Вт/кг; - коэффициент скорости диссипации.

Выражение для коэффициента ^ может быть получено из совместного рассмотрения (4) и (5) с учетом особенностей течения и имеет вид

К, =/' Яе^'^Ке^^' —Яе^Ч^^Яе'-чА^Яе, (6)

где л = 12/(17-3«/); А, А1, Аг - геометрические параметры; Ае - опытный коэффициент, зависящий от гидродинамической обстановки в аппарате.

Характерный вид зависимости (6) представлен на рисунке 3, где для сравнения построены линии, соответствующие ламинарному (2) и турбулентному (1) режимам. Из рисунка 3 видно, что при больших значениях Яе выражение (6) соответствует турбулентному режиму, при малых - ламинарному, а также описывает переходный режим.

:::: ]

=\_2_ ==1:

—:

Рисунок 3. Зависимость коэффициента скорости диссипации от числа Рейнольдса: 1 — турбулентный режим; 2 - ламинарный режим; 3 — переходный режим.

С учетом связи между локальным и средним значениями скорости диссипации энергии известное выражение для коэффициента массоотдачи для системы жидкость — твердое может быть представлено следующим образом:

, VI Ъ± -I

р = 0,265(г7 ^и3*'-5)16/г 4 & 4, (7)

где Р — коэффициент массоотдачи в жидкости, м/с; Бс - число Шмидта.

Механизм переноса пассивной примеси по объему аппарата можно рассматривать, исходя из предположения о том, что в микроскопическом масштабе жидкость имеет гетерогенное строение, отдельные участки представляют собой небольшие сгустки, капельки или агрегаты жидкости, которые сохраняют определенную идентичность — «жидкие частицы».

На основе решения уравнения переноса пассивной примеси показано, что время перемешивания на макроуровне зависит от свойств среды, масштаба течения и скорости диссипации энергии е

4-1 3-£

' у * . (8)

При переносе в осевом направлении для вихревых механических смесителей в качестве масштаба течения принимаем величину зазора И. Полагая Ь~Ъ, можно получить коэффициент продольного перемешивания

2 (к-к)'

3 •£

7—с/ 12

V 4

Выражение для времени перемешивания на макроуровне позволяет определить зависимость размера «жидких частиц» / от времени перемешивания

Щ) = и

к,-г12 <1-1 з-а ' Л 3 V 4

(10)

Время перемешивания на микроуровне зависит от локального значения скорости диссипации энергии. Учитывая связь между локальным и средним значениями скорости диссипации энергии, получим

1

= 0,5

Г „1з-м

ч

(0,88 + 1п5с) (11)

Неоднородность смеси в объеме аппарата, с одной стороны, обусловлена

неравномерностью перемешивания по объему аппарата, которая связана с

образованием застойных зон, контуров циркуляции. Вихревые смесители в основном лишены этого недостатка. С другой стороны, она связана с образованием в турбулентном потоке «жидких частиц» конечных размеров.

Опираясь на понятие емкостной размерности множества, можно определить

предельное отклонение концентрации /-ого компонента в пробе от заданного

(среднего) значения концентрации в смеси

ДХ,. =1-(1 -Х^ЯуР^ФФ7), (13)

где а - отношение объема рассматриваемой пробы к объему аппарата.

Выражение (13) позволяет связать размер «жидких частиц» V", содержащих примесь, с относительным объемом пробы, средней концентрацией примеси в аппарате и ее отклонением в пробе

V0 = У ■ ехр

0,5

,„ ч2 41пХ1п(1-Лг,)1пог 1па- (1па) + ' -— '

(14)

1п(1-ДХ,)

где V0 - объем плохо перемешиваемой области, м3, X - объемная концентрация дисперсной фазы, %.

Теоретические выкладки, проанализированные в этой главе и подтвержденные экспериментально, необходимы при рассмотрении путей интенсификации процесса перемешивания жидких сред механическими смесителями, например, при приготовлении водных растворов пенообразователей и огнетушащих веществ в специальных пожарных автомобилях.

В четвертой главе «Экспериментальное исследование процесса приготовления водных пенообразующих растворов» представлены экспериментальные исследования перемешивания в вихревых механических смесителях.

Исследования, направленные на изучение особенностей работы вихревых механических смесителей, прежде всего, касались вопросов структуры и устойчивости течения жидкости в кольцевых зазорах устройств различных конструкций.

Экспериментальная установка и лабораторные аппараты, использованные нами при проведении экспериментов, описаны в главе 2. Уточним несколько моментов. Гладкие роторы, позволявшие проводить исследования при 0,\&<2к/0р <1,33^ использовались для изучения закономерностей перемешивания при 5 ^ Яе < 450000 и скорости диссипации до 800 Вт/кг. Роторы с дисками, обеспечивающие 0,14<2И/йр <0,67; позволили увеличить число Рейнольдса до 710000, а скорость диссипации энергии до 900 Вт/кг. Эксперимент для ротора с тонкими стержнями, расположенными по виткам встречных спиральных линий, проводился для 41000 <Яе< 200000 и 1,2<гг<101.

При исследовании мощности, затрачиваемой на перемешивание, в качестве рабочей среды использовались ацетон, вода, глицерин и его водные растворы.

Определены границы ламинарного течения, течения с ламинарными макровихрями и турбулентного течения с макровихрями. Получены выражения для коэффициентов, используемых в зависимости (6).

Для каждого из аппаратов определены значения коэффициента у и емкостной размерности с1 в выражении (3): для аппарата с гладким ротором: у=0,1, ¿/=2,76; для аппарата с дисковым ротором: у=0,13, ¿=2,78; для аппарата со стержневым ротором: 7=0,136, Ф= 2,8.

Полученная величина емкостной размерности для турбулентного потока хорошо согласуется с данными, известными из литературы. Значения у и с1 остаются постоянными в широком диапазоне чисел Рейнольдса для роторов одной конструкции и растут по мере увеличения рабочей поверхности ротора.

Выполненные эксперименты подтвердили адекватность предложенного метода описания диссипации энергии в вихревых механических смесителях.

Было проведено изучение продольного перемешивания при скоростях диссипации энергии до 200 Вт/кг (рисунок 4). При этом определены значения коэффициентов к в формуле (9) и к: в формуле (10).

Рисунок 4. Зависимость коэффициента продольного перемешивания от скорости диссипации энергии: о — для гладкого ротора; + - для ротора с дисками; х - для стержневого ротора.

Установлено, что продольное перемешивание в аппаратах с гладким ротором определяется когерентными структурами - крупномасштабными тороидальными вихрями. При использовании ротора с дисками перенос вдоль оси аппарата лимитируется пульсациями, образующимися в результате отрыва течения от края диска. В аппарате со стержневым ротором основное влияние на продольное перемешивание оказывает вихревая дорожка, формирующаяся за стержнями. В

результате подтверждено влияние неоднородности поля диссипации энергии на перенос пассивной примеси.

Изучение влияния этого параметра на качество перемешивания проводилось в аппарате с гладким ротором для системы жидкость - жидкость. Эти эксперименты выявили (таблица 1) определяющее влияние жидких агрегатов больших размеров на качество перемешивания.

Таблица 1 - Количественная оценка качества перемешивания, определяемая по

пробам различного объема

Величина УПр=0,5 см3 С=35% Упр=1 см3 С=35% Упр=1,5 см3 С=35% У„р=1,5 см3 С=10% УпР=1,5 см3 С=5%

Время перемешивания 4 с 7 с 4 с 7 с 4 с 7 с 4 с 7 с 4 с 7 с

Опытное среднеквадратичное отклонение а, % (для изучаемого аппарата) 20 8 15 4 12 4 3,5 1,5 2 1

Опытное среднеквадратичное отклонение ст, % (для пено-смесителя типа ПС) 31 12 22 6 18 6 5,5 1,5 3,5 1,5

Установлено, что формула (14) при подстановке в нее параметра V0 -максимального объема «жидких частиц», определяет среднеквадратичное отклонение концентрации целевого компонента в пробе. Это подтверждает существенное влияние объема отбираемой пробы на результаты определения качества перемешивания в зависимости от объемов «жидких частиц».

Выполненные в смесителе с дисковым ротором (рисунок 2 б) эксперименты по растворению твердой фазы подтвердили значительное влияние неоднородности поля диссипации на массоперенос. При больших (более 10 Вт/кг) скоростях диссипации энергии указанная неоднородность приводит к более быстрому росту коэффициента массоотдачи (рисунок 5), чем этого можно было ожидать, исходя из представлений об однородной турбулентности. Эта особенность подтверждена в серии опытов в системе жидкость — твердое (вода — сульфанол), которая показала высокую эффективность использования вихревых механических смесителей для обработки гетерогенных сред.

£, ВТ/КГ

Рисунок 5. Зависимость коэффициента массоотдачи от е для КС/ (1 - расчет по (7), 2 - расчет без учета емкостной размерности поля диссипации энергии).

Проведенные экспериментальные исследования определили возможность интенсификации перемешивания в вихревых смесителях в режиме, близком к идеальному вытеснению, а также подтвердили адекватность предложенных теоретических зависимостей учета неоднородности поля диссипации энергии, необходимого при описании процессов переноса при больших значениях мощности, затрачиваемой на перемешивание.

В пятой главе «Электрофизическое воздействие на пенообразующую и огнетушащую способность воды и водных растворов пенообразователей» рассматривается влияние переменных электрических полей на физико-химические свойства воды, а также пожарно-технические характеристики воздушно-механических пен, получаемых на её основе.

При оценке устойчивости воздушно-механической пены при получении ее на основе обычной воды и сульфанола - в первом случае, и на основе сульфанола и электрофизически обработанной (ЭФО) воды - во втором случае, установлено, что воздействие ЭФО на воду, из которой получают воздушно-механическую пену, приводит к изменению свойств самой пены — устойчивость и объем пены, полученной при взаимодействии ЭФО воды с раствором поверхностно-активного вещества, значительно возрастает.

Для оценки влияния электрофизического воздействия на воду использовали лабораторный вихревой смеситель, работавший путем подачи на его корпус переменного частотно-моделируемого сигнала промышленного генератора «МАГ». Результаты определения критической концентрации мицеллообразования (ККМ) пенообразователя - сульфанола, свойств воздушно-механической пены и

огнетушащей способности электрофизически-активированной воды иллюстрируют рисунок 6 и таблица 2.

— Модифицир

Номер опыта

Рисунок 6. Зависимость времени тушения очага пожара класса «В» от огнетушащего состава Таблица 2 - Свойства воздушно-механической пены (ВМП)

Вода Концентрация ПАВ, мг/л Объем ВМП, см3 Длительность жизни ВМП, мин

1 6,4 168

Исходная 2 14,6 278

3 11,2 220

1 7,0 218

После ЭФО 2 15,8 560

3 14,2 340

Экспериментально установлено, что электрофизическое воздействие на воду и водные растворы пенообразователя способствует повышению огнетушащей способности воды, устойчивости воздушно-механической пены и снижению критической концентрации мицеллообразования, минимизирующей как экономические затраты, так и экологический ущерб. Даны рекомендации по переоборудованию специальных пожарных автомобилей вихревыми механическими смесителями в комплексе с коробкой отбора мощности и промышленного генератора переменного частотно-модулированного сигнала.

ВЫВОДЫ:

- установлено методом математического моделирования влияние неоднородности поля диссипации энергии при перемешивании растворов пенообразователей и выявлены закономерности диссипации энергии в механических смесителях с различными конструкциями роторов. Выявлена тенденция уменьшения неоднородности поля диссипации при использовании роторов с развитой поверхностью;

- экспериментально выявлена необходимость учета влияния скорости рассеивания энергии в потоке, а также разработаны методики расчета

неоднородности поля диссипации энергии и коэффициента массоотдачи для системы жидкость - твердое, обеспечивающие количественную оценку однородности перемешивания и устанавливающие аналитические зависимости между отклонениями концентраций в пробах и объемами не полностью перемешанных областей («жидких частиц»);

- определена зависимость размера не полностью перемешанных объемов от времени перемешивания и скорости диссипации энергии, а также экспериментально подтверждено повышение однородности перемешивания в механических смесителях более чем в 1,5 раза по сравнению с эжектирующими устройствами штатных пожарных автомобилей;

- экспериментально доказано, что электрофизическое воздействие на воду и водные растворы пенообразователей способствует повышению не только огнетушащей способности воды, но и устойчивости воздушно-механической пены, а также снижению критической концентрации мицеллообразования пенообразователя и может быть реализовано на табельном пожарно-техническом оборудовании автомобилей.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

Статьи, опубликованные в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных в перечне ВАК Министерства образования и науки РФ:

1. Савенкова А.Е. Влияние неоднородности турбулентного потока на перенос пассивной примеси при приготовлении огнетушащих смесей на основе воды / А.Е. Савенкова, Е.Б. Алексеик // Электронный научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России», [Электронный ресурс] URL: vestnik.igps.ru - 2013. - № 2. (0,3/0,2 п.л.).

2. Савенкова А.Е. Влияние переменных электрических полей на процессы создания и стабилизации воздушно-механических пен / А.Е. Савенкова, Е.Б. Алексеик, 3. Гемиш // Электронный научно-аналитический журнал «Вестник Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России», [Электронный ресурс] URL: vestnik.igps.ru - 2013. -№ 4. (0,3/0,2 пл.).

3. Савенкова А.Е. Применение электрофизического метода повышения эффективности огнетушащих составов на основе воды / А.Е. Савенкова,

Е.Б. Алексеик, H.A. Никитин // Проблемы управления рисками в техносфере. - 2013. -№ 4 [28]. (0,45/0,3 пл.).

4. Савенкова А.Е. Оценка качества перемешивания в масштабно-неинвариантных турбулентных потоках / А.Е. Савенкова, Е.Б. Алексеик // Проблемы управления рисками в техносфере. -2013. - № 3 [27]. (0,22/0,15 пл.).

Публикации во всероссийских, региональных и ведомственных научных журналах и изданиях:

5. Савенкова А.Е. Математическая модель высокоскоростного перемешивания жидкости с учетом рассеивания энергии // Экология и развитие общества. — 2013. -№ 2-3 (8). (0,25 пл.).

6. Савенкова А.Е. Тенденции развития техники механического перемешивания жидких сред / А.Е. Савенкова, Е.Б. Алексеик, С.П. Сержантов, Ю.Г. Баскин // Экология и развитие общества. -2013. -№ 1 (7). (0,3/0,15 пл.).

7. Савенкова А.Е. Особенности перемешивания жидких сред при высоких скоростях диссипации энергии / А.Е. Савенкова // Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций: Материалы Международной научно-практической конференции, 24 октября 2013. - СПб.: Санкт-Петербургский университет ГПС МЧС России, 2013. (0,15 пл.).

8. Савенкова А.Е. Процессы переноса вещества при перемешивании жидких сред в роторном аппарате для приготовления огнетушащих составов / А.Е. Савенкова // Современное общество, наука и образование: модернизация и инновации: Материалы Международной научно-практической конференции, 31 октября 2013. -Москва: Министерство образования и науки Российской Федерации, 2013. (0,15 пл.).

9. Савенкова А.Е. Методы описания гидродинамики роторных аппаратов для приготовления огнетушащих составов / А.Е. Савенкова // Мониторинг, прогнозирование и моделирование опасных природных явлений и чрезвычайных ситуаций: Материалы Всероссийской научно-практической конференции, 14 июня 2013. - Железногорск: Сибирская пожарно-спасательная академия - филиал Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, 2013. (0,15 п.л.).

Подписано в печать 11.04.2014 Формат 60x84 1/16

Печать цифровая Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в Санкт-Петербургском университете ГПС МЧС России 196105, Санкт-Петербург, Московский проспект, д. 149

ФГБОУ ВПО Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы МЧС России

На прбвах рукописи

а

04201459470

Савенкова Анастасия Евгеньевна

МЕТОДИКА РАСЧЕТА И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДИССИПАЦИИ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕНОСМЕСИТЕЛЯХ

ПОЖАРНЫХ АВТОМОБИЛЕЙ

05.26.03-пожарная и промышленная безопасность (транспорт)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

научный руководитель Алексеик Евгений Борисович

кандидат технических наук, профессор

Санкт-Петербург - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................4

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА МЕХАНИЧЕСКОГО ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКИХ СРЕД

1.1. Перемешивание жидких сред как основа приготовления огнетушащих растворов...........................................................................................9

1.2. Направления развития техники механического перемешивания жидких сред.................................................................................................16

1.3. Перенос вещества и теплоты при перемешивании жидких сред.................................................................................................23

1.4. Постановка задачи исследования................................................31

Глава 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Технические характеристики использованных жидкостей и химических реактивов..........................................................................................34

2.2. Описание экспериментальной установки......................................34

2.3. Использованные методики описания гидродинамики вихревых аппаратов..........................................................................................43

2.4. Математическое и статистическое моделирование...........................60

Глава 3. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОПИСАНИЯ

ПЕРЕМЕШИВАНИЯ В ВИХРЕВЫХ МЕХАНИЧЕСКИХ СМЕСИТЕЛЯХ

3.1. Особенности диссипации энергии в пространственно-неоднородном турбулентном потоке...........................................................................62

3.2. Скорость диссипации энергии в вихревом аппарате.......................66

3.3. Перенос массы при перемешивании суспензий.............................71

3.4. Перенос пассивной примеси в аппарате с учетом неоднородности турбулентного потока...........................................................................74

3.5. Оценка качества перемешивания...............................................80

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА

ПРИГОТОВЛЕНИЯ ВОДНЫХ ПЕНООБРАЗУЮЩИХ РАСТВОРОВ

4.1. Исследование скорости диссипации энергии в вихревых механических смесителях........................................................................................91

4.2. Перешивание при приготовлении пожаротушащих смесей..............104

4.3. Растворение пенообразователя в вихревых механических смесителях..............................................................................................................119

Глава 5. ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА

ПЕНООБРАЗУЮЩУЮ И ОГНЕТУШАЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ВОДЫ И

ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПЕНООБРАЗОВАТЕЛЕЙ....................................125

ВЫВОДЫ.................................................................................138

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................ 139

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................150

ВВЕДЕНИЕ

Анализ обстановки с пожарами и последствий от них на территории Российской Федерации показывает, что не смотря на снижение количества пожаров и размера ущерба, причиненного народному хозяйству, уровень их пока остается достаточно высоким - 423 пожара происходило в Российской Федерации ежедневно в первом полугодии 2013 года. Большое значение для успешного проведения действий по тушению пожаров имеет качество и эффективность не только применяемого для тушения оборудования, но и огнетушащих веществ.

Пена — дисперсная система, состоящая из ячеек - пузырьков воздуха (газа), разделенных пленками жидкости, содержащей стабилизатор пены.

Пена как средство тушения имеет ряд достоинств: возможность тушения пожаров больших площадей; существенное сокращение расхода воды; возможность объемного тушения; возможность подслойного тушения нефтепродуктов в резервуарах; повышенная (по сравнению с водой) смачивающая способность. Пена способна растекаться по поверхности горящего материала, поэтому при тушении пеной не требуется одновременное перекрытие всего зеркала горения.

Пена получается в результате химической реакции щелочной и химической составляющих (выделяющийся углекислый газ вспенивает водный щелочной раствор); или путем механического перемешивания пенообразующего раствора с воздухом.

С этой целью требуется заранее приготовить пенообразующий раствор. Для этого применяются так называемые аппараты с мешалками (перемешивающими устройствами), которые находят самое широкое применение для приготовления смесей на основе жидких сред. Достигается высокая эффективность изучаемого процесса за счет интенсификации гидродинамических факторов, оказывающих влияние на перенос массы. Связано это в первую очередь с простой и

безопасностью таких аппаратов, высокой степенью использования механической энергии, затрачиваемой на перемешивание жидких сред.

В последнее время наблюдается определенный прогресс в области прикладных исследований гидродинамики классических аппаратов с мешалками. Проведенные исследования позволили разработать новые устройства для приготовления смесей самого различного назначения. В этой связи перспективным оборудованием можно считать вихревые аппараты, где в качестве перемешивающего устройства используются роторы различной конструкции. Рабочий объем такого аппарата не превышает нескольких литров, за счет чего достигается высокая скорость диссипации энергии при равномерном ее распределении по объему. Построение надежных методов создания таких аппаратов в первую очередь связано с изучением затрат энергии на перемешивание, особенностей макро и микроструктуры перемешиваемой среды, а также процессов переноса массы в системах жидкость—твердое тело. Что является весьма актуальной задачей не только для расчета вихревых аппаратов, но и для понимания процессов перемешивания в жидких средах в целом.

Цель исследования — изучение особенностей процесса механического перемешивания жидких сред, осложненного растворением твердых компонентов, в вихревых механических смесителях при больших скоростях диссипации энергии и разработка научных основ их функционирования применительно к приготовлению пенообразующих растворов.

Решались следующие задачи:

— разработать модель и методики расчета, описывающие специфику процессов перемешивания в вихревых механических смесителях, позволяющие количественно оценить возможность и качество приготовления в них пенообразующих рецептур;

— экспериментально подтвердить тождественность результатов моделирования и расчетных методик, описывающих перемешивание при высоких

скоростях диссипации энергии в механических смесителях пожарных автомобилей;

— выявить влияние электрофизического воздействия на стабильность генерируемых пен и воды как огнетушащего вещества при их подготовке в вихревых механических смесителях специальных пожарных автомобилей типа АЦ.

Объект исследования - особенности гидродинамики и массообмена перемешивания при высоких скоростях диссипации энергии растворов пенообразователей в механических вихревых смесителях для пожарных автомобилей.

Предмет исследования — математическое моделирование и методика расчета процесса перемешивания, а также его экспериментальная проверка для различных конструкций механических вихревых смесителей при приготовлении пенообразующих растворов на пожарных автомобилях.

Методы исследования. Математические методы разработки и анализа моделей перемешивания жидких сред в механических вихревых смесителях для их последующей экспериментальной верификации и разработки методик их сравнительной оценки возможности применения в качестве пеносмесителей пожарных автомобилей.

Научная новизна работы заключается в:

— разработке рабочей гипотезы, основанной на изучении эволюции поля диссипации энергии в жидкости, заключающейся в необходимости учета его неоднородности, и ее последующем экспериментальном доказательстве;

— экспериментальном подтверждении адекватности установленных аналитических зависимостей для коэффициента продольного перемешивания и их проверке для системы жидкость — твердое на основе разработанных методик расчета коэффициента массоотдачи;

— обнаружении влияния электрофизического воздействия на воду и водные растворы пенообразователей, способствующего повышению устойчивости

воздушно-механической пены и огнетушащей способности воды, а также снижению критической концентрации мицеллообразования в водных растворах пенообразователя.

Практическая значимость исследования заключается в:

— установлении закономерностей диссипации энергии в вихревых механических смесителях и выявлении тенденций минимизации неоднородности поля диссипации для роторов с развитой поверхностью;

— разработке методики оценки однородности перемешивания путем установления взаимосвязи между отклонением концентрации в пробах раствора и объемами не полностью перемешанных областей;

— разработке практических рекомендаций по переоборудованию специальных пожарных автомобилей вихревыми механическими смесителями в комплексе с коробкой отбора мощности и промышленного генератора переменного частотно-модулированного сигнала.

Реализация работы. Результаты диссертационного исследования внедрены в проектную деятельность ООО «Пожнефтехим» г. Санкт-Петербург и в учебный процесс Санкт-Петербургского технологического института (технического университета).

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научных заседаниях кафедры пожарной, аварийно-спасательной техники и автомобильного хозяйства Санкт-Петербургского университета ГПС МЧС России, на Международной научно-практической конференции «Подготовка кадров в системе предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций» (Санкт-Петербург, 2013), Всероссийской научно-практической конференции «Мониторинг, прогнозирование и моделирование опасных природных явлений и чрезвычайных ситуаций» (г. Железногорск, 2013), Международной научно-практической конференции «Современное общество, наука и образование: модернизация и инновации» (г. Москва, 2013).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 4 - в изданиях согласно перечню ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы из 106 источников, приложения. Общий объем работы 149 страниц, 11 таблиц, 32 рисунка.

Глава 1. Анализ процесса механического перемешивания жидких

сред

1.1. Перемешивание жидких сред как основа приготовления

огнетушащих растворов

Улучшение качества процессов перемешивания, в том числе и приготовления, является сложной комплексной проблемой, решение которой может быть осуществлено только на основе системного подхода, который в настоящее время можно считать основным методом исследования сложных явлений и процессов.

Системный анализ основан на общих научных принципах, которые применяются при решении любой задачи системного характера. К ним можно отнести [1]:

— формулировка цели исследования;

— постановка задачи по реализации этой цели и определению критериев эффективности решения задачи;

— разработка развернутого плана исследования с указанием основных этапов и направлений в решении задачи;

— последовательное продвижение по всему комплексу взаимосвязанных этапов;

— принцип нисходящей иерархии анализа и восходящей иерархии синтеза в решении основных задач.

С этих позиций перемешивание - это совокупность процессов направленного формирования гетерогенной (или гомогенной) среды (смеси), цель которых — обеспечить максимально возможное проявление важных свойств смеси при наименьших экономических затратах.

Начальным этапом системного анализа является представление условности изучаемой системы (смеси), которая противодействует своему окружению —

среде. Отнесение некоторого признака в системе зависит от его влияния на достижение конечной цели - получить среду с необходимыми свойствами.

С позиций системного анализа процесс перемешивания как система представлен на рисунке 1.

ПЕРЕМЕШИВАНИЕ

I ПОДГОТОВКА КОМПОНЕНТОВ V ОТВОД ЦЕЛЕВЫХ И ПОБОЧНЫХ ПРОДУКТОВ

II СОСТАВ И СВОЙСТВА ИСХОДНЫХ КОМПОНЕНТОВ VI СПОСОБЫ И СРЕДСТВА КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ КАЧЕСТВА

III СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ПОДАЧИ КОМПОНЕНТОВ VII ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, РАЗВИВАЮЩИЕСЯ ПРИ ПЕРЕМЕШИВАНИИ

IV ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ СРЕДУ

Рисунок 1. Структура системы, представляющей процесс перемешивания.

В общем случае в системе «Перемешивание» можно выделить семь подсистем более низкого уровня иерархии. Так подсистема «Физико-химические явления, развивающиеся при перемешивании» напрямую связана с подсистемой «Энергетические воздействия на обрабатываемую среду». Данные подсистемы связаны с этапами конкретного технологического процесса переработки исходных компонентов в конечный продукт с необходимыми свойствами. Однако роль отдельных подсистем не является одинаковой. Свойства конечной смеси в

основном зависят от имеющих место при перемешивании физико-химических преобразований ее структуры, которые вызваны интенсивным энергетическим воздействием. В связи с этим наибольший интерес представляет анализ подсистем IV и VII.

Так подсистема «Энергетические воздействия на обрабатываемую среду» является главной (основной) частью общей химико-технологической системы. Она состоит из элементов, которые в совокупности в основном определяют особенности процесса перемешивания, а, следовательно, его конечный результат. Структура этой подсистемы приведена на рисунке 2.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ СРЕДУ

ВИДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ УСЛОВИЯ ПОДВОДА ЭНЕРГИИ К СРЕДЕ СРЕДСТВА ПОДВОДА ЭНЕРГИИ

ПРОСТОЕ ИНТЕНСИВНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОВОКУПНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ

КОМБИНИРОВАННОЕ ВРЕМЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАШИНА (АППАРАТ)

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕМЕНТ МАШИНЫ (АППАРАТА)

Рисунок 2. Структура подсистемы «Энергетические воздействия на обрабатываемую среду».

В данной подсистеме энергетическое воздействие предполагает, что оно передается от источника (например, механического перемешивающего устройств) к обрабатываемой среде (смеси, жидкость) [2,3,4]. В отдельных случаях первичные воздействия непосредственно не вызывают перемешивание, но приводят к вторичным воздействиям, которые и обеспечивают требуемый

результат. Так, электрический разряд в жидкости приводит к резкому повышению давления, которое и обеспечивает энергетическое воздействие в смесителе электрогидравлического типа. Вторичные эффекты в описанной иерархической структуре также можно отнести к физико-химическим процессам, имеющим место при перемешивании.

Различают два вида энергетического воздействия: простое и комбинированное. С этих позиций перемешивание за счет вращающейся мешалки можно отнести к простому перемешиванию, а в совокупности с акустическим излучателем оно становиться комбинированным. Если рассматривать работу роторно-пульсационных аппаратов, то имеющиеся в нем воздействия можно отнести к комбинированным в случаях, когда механическое воздействие ротора сочетается с пульсациями потока в режиме автоколебаний. В дальнейшем будет показано, что комбинированное воздействия частично может быть реализовано также в вихревом аппарате с ротором со стержнями.

Устройства для энергетического воздействия на жидкость (смесь) могут представлять собой, как отдельный конструктивный элемент аппарата (например, мешалка), так и их совокупность (например, перемешивающее устройство совместно с приводом). В рамках данной работы под устройством для энергетического воздействия мы будем понимать только тот конструктивный элемент, который непосредственно осуществляет механическое воздействие на среду - ротор аппарата.

Условия, при которых осуществляется подача энергии к обрабатываемой среде, — это совокупность технологических параметров (скорость вращения рабочего органа, температура, давление и т.д.). Их большое многообразие определяется существованием большого числа способов и технических средств реализации процесса перемешивания.

Рассмотрим подсистему «Физико-химические явления, развивающиеся при перемешивании», которая тесно связана с энергетическим воздействием на смесь. Большое многообразие физико-химических явлений, которые имеют место при

перемешивании, представляется условно разбить на три большие группы, те явления, которые происходят:

— во всем объеме среды;

— на границе раздела фаз (в гетерогенной смеси);

— на поверхности или вблизи рабочих органов смесителя.

К явлениям, происходящим в объеме среды, относятся тепло- и массоперенос, химиче