Газовоздушная завеса как средство защиты при ограничении распространения токсичных облаков

УДК 614.8.084

Р. Р. Насибуллин, А. Д. Галеев, С. И. Поникаров

ГАЗОВОЗДУШНАЯ ЗАВЕСА КАК СРЕДСТВО ЗАЩИТЫ ПРИ ОГРАНИЧЕНИИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ТОКСИЧНЫХ ОБЛАКОВ

Ключевые слова: рассеивание, опасные и токсичные вещества, плоская поперечная воздушная завеса.

Был проведен анализ и обзор работ, посвященных разработке и исследованию плоских поперечных воздушных завес, применяемых в качестве защитных средств при ограничении распространения опасных веществ. Обзор был посвящен воздушным завесам, формируемым механическим способом.

Keywords: dispersion, hazardous toxic substances, flat transverse air curtain.

Analysis and overview of the works and papers, devoted to design and the study of the flat transverse air curtains, which are used as protective equipment in limiting the spread of hazardous substances was carried out. Review focused on the air curtain, formed by mechanical means.

Введение

В последнее время наблюдается высокая заинтересованность инженерными системами, ограничивающими распространение в приземном слое атмосферы токсичных и опасных облаков. Облака опасных веществ возникают в результате аварий на химических производствах, использующих подобные вещества, или при их транспортировке и хранении. В результате в окружающую среду высвобождается значительное количество опасной примеси, как правило, плотностью, большей чем у окружающего воздуха, что вызывает приземное распространение вещества. Двигаясь по направлению ветра, облако примеси может сформировать зону заражения глубиной до десятков километров, создавая угрозу жизни и здоровья людей.

Инженерных средств, способов и методов, противодействующих распространению опасных веществ, разработано немало [1]. В данной работе будет уделено внимание анализу газовоздушных завес, потому что исследований их в качестве средств активной коллективной защиты органов дыхания людей от ядовитых или отравляющих веществ, крайне мало.

Воздушные завесы в отечественной и зарубежной инженерной практике известны с давних времен. Но функции этих завес лежали строго в области поддержания требуемого микроклимата воздуха рабочей зоны различных производств, вентиляции, кондиционировании и т.д. Воздушные завесы нашли широкое применение как устройства, препятствующие проходу воздуха через открытые проемы, которые по технологическому процессу нельзя держать закрытыми. В промышленности воздушные завесы применяют для [2]:

• Предотвращения прорыва холодного воздуха в производственные помещения через открываемые проёмы;

• Предотвращения перемещения воздуха из одного помещения, в котором имеется концентрация вредных паров, газов или пыли (хотя бы в размерах, предельно допустимых по нормам), в другое, где выделения этих вредностей нет.

Основные способы и устройства, создающие газовоздушные завесы,

применяемые при ограничении распространения опасных веществ

В работе [3], впервые газовоздушная завеса рассматривается как средство, уменьшающее концентрации ядовитых или отравляющих веществ в приземном слое атмосферы в селитебной зоне до значений, не опасных для жизни людей, путем рассеивания ядовитых или отравляющих веществ в атмосфере с помощью защитной, приземной, плоской, направленной вертикально вверх струйной газовоздушной завесы. Завеса имеет в плане форму дуги с центром дуги в источнике заражения. Местом установки завесы является пространство между источником заражения опасными веществами и селитебной зоной. Для предварительной оценки эффективности завесы авторы рассматривают типичный пример аврийной ситуации разлива 70 т концентрированной соляной кислоты на расстоянии 4 км от населенного пункта; кислота разлилась свободно по подстилающей поверхности слоем толщиной 0,05 м. Метеорологические условия: температура воздуха 20оС; ветер скоростью 3 м/с направлен от источника заражения в сторону населенного пункта; степень вертикальной устойчивости атмосферы - изотермия. Соляная кислота разлилась в виде квадратного пятна со стороной квадрата 34 ми площадью пятна 1156 м2.

В соответствии с методикой [4], глубина зоны заражения составляет Г = 4,9 км. Время действия источника испарения кислоты 1,71 часа. Скорость испарения хлористого водорода 4207 г/с. Поскольку расстояние от источника заражения до населенного пункта, равное 4 км, меньше глубины зоны заражения Г = 4,9 км, то населенный пункт попадает в зону заражения. Скорость переноса переднего фронта облака зараженного воздуха для данных метеоусловий составляет 18 км/час, в результате чего фронт облака достигает населенного пункта через 13,3 мин после аварии. За такое малое время практически невозможно обеспечить оповещение и эвакуацию жителей населенного пункта, что неизбежно приведет к поражению людей хлористым водородом. На

расстоянии 100 м от источника заражения в направлении населенного пункта сразу после аварии введена в действие защитная, приземная, плоская, направленная вертикально вверх струйная газовоздушная завеса шириной 100 м и высотой 50 м. Она обеспечивает подъем нижней части распространяющегося от источника заражения облака хлористого водорода на высоту 50 м. В этом случае было предположено, что последующее рассеивание хлористого водорода происходит от эквивалентного линейного источника длиной 100 м, высотой 50 м, расположенного на расстоянии 100 м от места аварии по ветру в направлении населенного пункта.

/ г з 4

Рис. 1 - Распределение концентрации HCl в приземном слое атмосферы при выключенной (кривая 1) и действующей воздушной завесе (кривая 2) [3]

На рисунке 1 кривой 1 изображено распределение концентрации хлористого водорода С1 в приземном слое атмосферы вдоль пути центральной части облака. Расстояние Х отсчитывается от источника заражения. Расчет рассеивания выполнен с помощью универсальной программы расчета загрязнения атмосферы "Эколог", версия 2.20, реализующей основные зависимости методики [5]. Концентрация хлористого водорода на рис.1 выражена в относительных единицах - в долях его предельно допустимой концентрации (ПДК), причем ПДК = 0,2 мг/м3. Распределение концентрации хлористого водорода C2 в приземном слое атмосферы вдоль пути центральной части облака, подвергшегося воздействию газовоздушной завесы, изображено кривой 2 на рисунке1. Дополнительно кривой 3 изображено отношение С1/С2 значений концентраций, соответствующих кривым 1 и 2. Зависимость 3 отчетливо иллюстрирует, что защитная газовоздушная завеса существенно (более чем в 10 раз) уменьшает концентрацию хлористого водорода в приземном слое атмосферы вдоль пути центральной части облака. С увеличением расстояния эффективность завесы снижается, но для рассмотренного варианта в пределах населенного пункта, отстоящего от источника заражения на 4 км, газовоздушная завеса снижает концентрацию хлористого водорода в приземном слое атмосферы в 10-11 раз и, тем самым, доводит ее до значений, не опасных для жизни людей.

Защитная приземная плоская направленная вертикально вверх струйная газовоздушная завеса вызывает за счет сил вязкостного трения подъем

прилегающих с обеих сторон к завесе слоев воздуха от поверхности вверх на высоту, равную высоте завесы. Двигающееся по ветру от источника заражения облако ядовитых или отравляющих веществ при приближении к защитной газовоздушной завесе изменяет свою траекторию так, что приземная часть облака поднимается на высоту газовоздушной завесы. Более высокие части облака поднимаются на еще большую высоту. Поскольку подъем воздуха газовоздушной завесой осуществляется и с ее подветренной стороны, то после завесы облако ядовитых или отравляющих веществ не опускается к поверхности, а рассеивается в атмосфере. При этом концентрация ядовитых или отравляющих веществ в приземном слое по пути движения облака будет значительно ниже, чем без его подъема газовоздушной завесой. Эффективность защитной газовоздушной завесы по снижению концентрации ядовитых или отравляющих веществ в приземном слое, в основном, зависит от высоты завесы, ее расстояния от источника заражения, метеоусловий и не зависит от вида ядовитых или отравляющих веществ.

Таким образом, применение защитной приземной плоской направленной вертикально вверх струйной газовоздушной завесы является принципиально новым средством активной коллективной защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ, позволяющим предотвратить заражение приземного слоя атмосферы селитебной зоны этими веществами в концентрациях, опасных для жизни людей [3].

В работе [6] авторы отмечают, что основным и единственным известным методом формирования газовоздушной завесы является вдув плоской приземной направленной вверх воздушной струи с помощью установки, содержащей воздуходувную машину и соединенный с ней наземный воздухораз-даточный короб с расположенным в верхней части воздуховыпускающим щелевидным насадком с конфузорным входным участком [2]. Воздуходувная машина нагнетает атмосферный воздух в подключенный к ней воздухораздаточный короб. Нагнетаемый воздух при истечении через направленный вверх воздуховыпускающий щелевидный насадок образует защитную газовоздушную завесу. Ограниченный диапазон технических характеристик установки не позволяет создать газовоздупшую завесу необходимых длины и высоты. Рассмотренный в [3] пример применения способа защиты предусматривает формирование в потоке воздуха со скоростью У=3 м/с поперечной плоской направленной вертикально вверх струйной газовоздушной защитной завесы высотой Н=50 м и длиной Ь=100 м. Имеющиеся экспериментальные данные по высоте подъема плоской газовоздушной струи в сносящем потоке воздуха [7] показывают, что для формирования такой защитной завесы необходимо вдувать воздух вертикально вверх со средней скоростью W=15 м/с через приземную щель длиной Ь=100 м и шириной в=И- (У/6- W)=50• (3/6- 15)=1,67 м. Для формирования одного погонного метра 1=1 м такой газовоздушной завесы нужно обеспечить объемный расход воздуха С]=1* в- W=1• 1,67- 15=25 м3/с (90000

м /час). При этом площадь поперечного сечения Р1 воздухораздаточного короба в начальной его части должна быть в два раза больше площади сечения воздуховыпускающей щели, т.е. р1=2- 1- в=2- 1-1,67=3,34 м2. Для формирования защитной завесы такой же высоты Н=50 м, но длиной 1=10 м установка должна обеспечить соответственно в 10 раз большие эксплуатационные характеристики: объемный расход воздуха 0^=250 м3/с (900000 м3/час) при площади поперечного сечения начальной части воздухораздаточного короба рш=33,4 м2. При этих условиях габариты установки - площадь поперечного сечения начальной части квадратного воздухо-раздающего короба составляет 33,4 м2 при стороне квадрата 5,78 м. Такие эксплуатационные характеристики установки (производительность воздуходувной машины и габариты) находятся на грани практически реализуемых. Дальнейшее увеличение длины защитной завесы требует пропорционального увеличения этих характеристик, что выходит за пределы современных возможностей [6].

Авторы работы [6] предлагают способ формирования защитной газовоздушной завесы, который бы позволил избежать все вышеперечисленные эксплуатационные барьеры. Новый способ предполагает выполнение рассеивания за счет отбора прилегающей к подстилающей поверхности части содержащего аварийно химически опасные вещества набегающего потока воздуха и последующих изменений направления его движения, ускорения и выброса вертикально вверх в виде плоской поперечной струи.

Рис. 2 - Процесс рассеивания облака опасного вещества [6]

На рисунке 2 изображен схематично процесс рассеивания в атмосфере двигающегося по ветру вдоль подстилающей поверхности облака примеси. Содержащий примесь поток воздуха 1 движется со скоростью V вдоль подстилающей поверхности 2. В прилегающей к подстилающей поверхности 2 части потока воздуха концентрация опасного вещества максимальна. С помощью устройства 3 прилегающую к подстилающей поверхности 2 часть содержащего примесь набегающего потока воздуха отбирают, изменяют направление его движения, ускоряют и выбрасывают вертикально вверх в виде плоской поперечной газовоздушной струи 4 со скоростью истечения Остальная верхняя часть содержащего примесь потока воздуха натекает на плоскую струю 4 и под действием вязкостного трения

поднимается вместе с ней вверх, изгибая при этом струю за счет динамического воздействия.

Также была произведена предварительная оценка мощности (без учета каких-либо потерь мощности в устройстве), необходимую для формирования одного погонного метра поперечной газовоздушной завесы высотой Н=50 м для рассмотренных ранее скоростей ветра V=3 м/с и вдува "=15 м/с и обычных условий (плотность отбираемой аппаратом воздушной смеси р =7,2 кг/м3). Требуемая мощность составляет 3240 Вт. Для завесы длиной Ь=100 м общая мощность составит величину 324 кВт, что является вполне реализуемым на практике [6].

Применительно к данному способу [6] те же авторы предлагают конструктивное исполнение мобильной установки, формирующей защитную газовоздушную завесу [8].

Рис. 3 - Вертикальный поперечный разрез струйного направляющего аппарата[8]

Рис. 4 - Схема соединения струйных направляющих аппаратов в установку, вид сверху[8]

Работа установки поясняется рисунками 3, 4. Вращаемый электродвигателем 6 осевой вентилятор 5 засасывает через нижний и боковой открытые проемы поток чистого атмосферного воздуха II с подветренной стороны установки и через конфузор-ный входной участок 4 и воздуховыпускающий ще-левидный насадок 3 направляет его в виде плоской струи вертикально вверх. Плоские струи от отдельных направляющих аппаратов сливаются и формируют защитную воздушную завесу длиной, равной сумме длин всех струйных направляющих аппаратов. Поток воздуха I, содержащий ядовитые или отравляющие вещества, набегает на сплошную вертикальную стенку, образованную соединенными

посредством шарниров 8 вертикальными сплошными касающимися поверхности почвы стенками 7 струйных аппаратов 1, обтекая ее, поднимается вверх до верхнего края щелевидного насадка 3 и далее за счет сил вязкостного трения с вытекающей из щелевидного насадка воздушной струей поднимается вверх на высоту формируемой установкой защитной воздушной завесы.

Таким образом, благодаря тому, что воздуходувная машина установлена внутри каждого струйного направляющего аппарата 1 и выполнена в виде осевого вентилятора 5, размещенного перед конфузорным входным участком 4 щелевидного выпускающего насадка 3, удается обеспечить кратчайший путь подвода чистого атмосферного воздуха к щелевидному воздуховыпускающему насадку через открытые нижний и боковой проемы корпуса струйного направляющего аппарата. Достигаемое при этом уменьшение потерь давления и делает возможным использование осевого вентилятора в качестве воздуходувной машины. Кроме того, этим обеспечивается разделение единой системы (воздуходувная машина и нагнетаемый ею поток воздуха) чрезмерных мощности и габаритов на большое число параллельно включенных таких же систем, но реальных мощности и габаритов. Все эти факторы и позволяют обеспечить практическую реализацию установки для формирования защитной воздушной завесы требуемых длины и высоты.

Литература

1. Насибуллин Р.Р. Методы и средства ограничения опасных веществ при аварийных выбросах и проливах. / Насибуллин Р.Р., Галеев А. Д., Поникаров С.И. // Вестн. Казан. технол. ун.-та. - 2013. -№.4. - С.221-213.

2. Эльтерман В.М. Воздушные завесы. - М.: Машиностроение. - 1966. - С.83-90.

3. Пат. 2179046 Российская Федерация, МПК7 А62В29/00. Способ активной коллективной защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ/

Обухов И.А., Майоров В.А.; заявитель и патентообладатель Пензенская государственная архитектурно-строительная академия. заявл. 08.11.00 ; опубл. 10.02.02.

4. Методика прогнозирования масштабов заражения сильнодействующими ядовитыми веществами при авариях (разрушениях) на химически опасных объектах и транспорте: РД 52.04.253-90: утв. Председателем Госгидромета СССР, чл.-корр. АН СССР Ю.А.Израэлем 13.03.90 г. и начальником Гражданской обороны СССР, генералом армии В.Л.Говоровым 24.03.90 г: ввод в действие с 01.07.90 г.- Ленинград: Гидрометеоиздат, 1991.

5. Методика расчета концентраций в атмосферном воздухе вредных веществ, содержащихся в выбросах предприятий: ОНД-86: утв. Председателем Государственного комитета СССР по гидрометеорологии и контролю природной среды 04.08.86 г № 192: ввод в действие с 02.1986 г.- Ленинград: Гидрометеоиздат, 1987.

6. Пат. 2255779 Российская Федерация, МПК7 А62В29/00, Е24Е9/00. Способ активной коллективной защиты населения от аварийно химически опасных веществ/ Обухов И.А., Майоров В.А. Добкина О.Н; заявитель и патентообладатель Пензенская государственная архитектурно-строительная академия. заявл. 15.01.04 ; опубл. 10.07.05.

7. Гиршович Т.А. Турбулентные струи в поперечном потоке. - М.: Машиностроение, 1993, с.11.

8. Пат. 2232039 Российская Федерация, МПК7 А62В29/00, Е24Е9/00. Мобильная установка для формирования воздушной завесы для защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ/ Обухов И.А., Майоров В.А.; заявитель и патентообладатель Пензенская государственная архитектурно-строительная академия. заявл. 10.12.02 ; опубл. 10.07.04.

© Р. Р. Насибуллин - аспирант кафедры машин и аппаратов химических производств, КНИТУ, rail90ongp@yandex.ru; А. Д. Галеев - канд. техн. наук, доцент кафедры машин и аппаратов химических производств КНИТУ, galeev_ainur@mail.ru; С. И. Поникаров - д-р техн. наук, профессор, зав. каф. машин и аппаратов химических производств, КНИТУ, ponikarov_si@kstu.ru.

© R. R. Nasibouliin - graduate student of the department chemical productions machines and apparatuses, KNRTU, rail90ongp@yandex.ru; A. D. Galeev - ph.D., Associate Professor of the department chemical productions machines and apparatuses, KNRTU, galeev_ainur@mail.ru; S. I. Ponikarov - doctor of Technical Sciences, Professor, head of the department chemical productions machines and apparatuses, KNRTU, ponikarov_si@kstu.ru.