Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
34
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
БИКОВСЬКА НАТАЛІЯ ВЛАДИСЛАВІВНА
УДК 614.841:532.517
ЗАСТОСУВАННЯ ГІДРОДИНАМІЧНО-АКТИВНИХ
ПОЛІМЕРНИХ КОМПОЗИЦІЙ ДЛЯ ПІДВИЩЕННЯ
ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ СИСТЕМ
ПРОТИПОЖЕЖНОЇ ТЕХНІКИ І АВАРІЙНОЇ ВІДКАЧКИ ВОДИ
Спеціальність 21.06.01 - екологічна безпека
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Донецькому національному університеті Міністерства освіти і науки України
Ступін Олександр Борисович,
проректор з наукової роботи, завідувач кафедри фізики
нерівноважних процесів, метрології і екології Донецького
національного університету,
заслужений діяч науки і техніки України
лауреат Державної премії України у галузі науки і техніки.
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор
Пашковський Петро Семенович,
перший заступник директора науково-дослідного інституту
гірничорятувальної справи і пожежної безпеки (м. Донецьк),
доктор технічних наук, старший науковий співробітник.
Аверін Геннадій Вікторович,
завідувач кафедри комп'ютерних систем моніторингу
Донецького національного технічного університету.
Провідна установа: Донбаська академія архітектури і будівництва Міністерства освіти
і науки України (м. Макіївка).
Захист дисертації відбудеться 02.07.2004 р. о 9 годині на засіданні спеціалізованої вченої Ради СРД 11.051.09 у Донецькому національному університеті за адресою: 83055, м. Донецьк, вул. Університетська, 24.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного університету за адресою: 83055 р. Донецьк, вул. Університетська, 24.
Автореферат розісланий “02.06.2004 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
доктор технічних наук Білоусов В.В.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Пожежі, як неконтрольовані процеси горіння різних матеріалів, знищують значні матеріальні цінності, створюють погрозу для життя людей, завдають значної шкоди навколишньому середовищу. Щорічно в Україні відбувається близько 50 тисяч пожеж, у яких гине приблизно 1.5 тисячі осіб, кілька тисяч одержують травми. Велика зношеність основних фондів підприємств, недостатня увага комунальних служб до протипожежних заходів у житловому секторі обумовлюють постійну погрозу виникнення пожеж і аварій, масштаби і наслідки яких можуть негативно вплинути на стан національної безпеки держави і навколишнього середовища. Динаміка щорічних економічних втрат від пожеж, на думку фахівців, дозволяє зробити прогноз, що вони у 2005 році досягнуть 1 млрд. грн.
У зв'язку з цим, останнім часом інтенсивно ведуться роботи зі створення нових і вдосконалення існуючих технологій і технічних засобів для пожежогасіння.
Проблема зниження гідродинамічного опору (підвищення пропускної здатності трубопроводів) актуальна також для систем аварійної відкачки води, включаючи каналізаційні мережі і колектори. Так, наприклад, у масштабах України через очисні спорудження каналізації пропускається близько 3 млрд. кубічних метрів міських стічних вод, з виділенням осадів у кількості 1,1 млн. тонн по сухій речовині. У період пікових навантажень (при випаданні зливових дощів, інтенсивному таненні снігу) каналізаційні мережі і колектори переповнюються, забруднюючи значні території, водяні джерела і т.д.. Крім цього, на сьогоднішній день, за оцінками фахівців тільки у Донецькій області 31,7 % каналізаційних систем мають 100 % амортизацію, а 21 % - знаходиться в аварійному стані, що також являє серйозну загрозу і може завдати великої шкоди навколишньому середовищу.
Дисертаційна робота присвячена застосуванню водорозчинних гідродинамічно-активних полімерних композицій для підвищення пропускної здатності трубопровідних систем аварійної відкачки води, зниженню в трубопроводах і рукавах гідродинамічного опору вогнегасних рідин , а також поліпшенню їх пожежогасильних властивостей.
Численними дослідженнями встановлено, що за рахунок введення у турбулентні потоки рідини (5÷50) г/м3 поліетиленоксиду (ПЕО) чи поліакриламіду (ПАА) з молекулярною масою М = (2,5÷6,0)·106, можна істотно (на 50÷80%) знизити гідродинамічний опір тертя в трубах діаметром до 400 мм. При цьому з'являється можливість підвищити ефективність роботи гідравлічних систем за рядом показників: або збільшити витрату рідини яка подається, або знизити споживану перекачувальними насосами потужність, або збільшити довжину трубопроводу, або використати труби меншого діаметру.
Для систем пожежогасіння і аварійної відкачки води найбільший інтерес представляє збільшення витрати рідин, які перекачуються по трубопроводах. Так, наприклад, при максимальному зниженні опору витрати збільшуються у 2,24 рази.
Знижуючи турбулентне тертя домішки, істотно впливають також на струминні плини. При цьому встановлено, що сформовані в насадках і соплах струмені, відрізняються підвищеними компактністю і далекобійністю. Важливим є і той факт, що високомолекулярні полімери поліпшують вогнегасні властивості води і водних розчинів змочувачів.
Однак, незважаючи на очевидні переваги, застосування ПЕО і ПАА стримується труднощами приготування з них однорідних розчинів необхідних концентрацій зі збереженням їх первісної молекулярної маси. Спроби використовувати ці полімери у вигляді порошків, що випускаються промисловістю, чи у вигляді заздалегідь приготовлених розчинів, виявилися мало ефективними.
У зв'язку з цим, в останні роки інтенсивно ведуться роботи зі створення на основі ПЕО і ПАА швидкорозчинних полімерних композицій, розробки устаткування і технологічного оснащення для подання, розчинення і дозованого введення гідродинамічно-активних речовин у трубопроводи.
У зв’язку з вище викладеним, можна зробити висновок, що розробка способу підвищення ефективності роботи систем аварійної відкачки води і пожежогасіння із застосуванням водорозчинних гідродинамічно-активних полімерних композицій, є дуже актуальною проблемою.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалася відповідно до “Державної програми забезпечення пожежної безпеки на 1995-2000 р.р.”, затвердженої Кабінетом Міністрів України 3 квітня 1995 р. №238; відповідно до національної програми “Поліпшення стану безпеки, гігієни роботи і промислового середовища на 1996-2000 р.р.”, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України від 15 листопада 1990 р. №1345; а також відповідає п.4 “Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології” “Концепцій пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки”, прийнятих постановою Кабінету Міністрів України від 22.06.1994 р. №429 і науковому напрямку кафедри фізики нерівноважних процесів, метрології і екології Донецького національного університету в рамках держбюджетної теми 98-1вв/01 „Теоретичне і експериментальне дослідження ефекту Томса” № державної реєстрації 0198U005539.
Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є наукове обґрунтування, розробка, дослідження гідродинамічно-активних полімерних композицій для поліпшення роботи протипожежних систем (зниження турбулентного тертя, поліпшення властивостей пожежогасильних рідин), а також підвищення пропускної здатності систем аварійної відкачки води.
Завдання дослідження полягають в узагальненні сучасних уявлень про застосування гідродинамічно-активних полімерних композицій для зниження турбулентного тертя; розробці наукових засад технології приготування рідких і твердих гідродинамічно-активних полімерних композицій на основі високомолекулярних ПЕО і ПАА; теоретичному й експериментальному обґрунтуванні можливості застосування рідких і твердих водорозчинних полімерних композицій на основі ПЕО і ПАА для поліпшення роботи протипожежної техніки і систем аварійної відкачки води; розробці математичної моделі зниження гідродинамічного опору тертя в турбулентних потоках розчинів полімерів; дослідженні впливу мікродомішок гідродинамічно-активних полімерів на вогнегасні властивості води і водних розчинів змочувачів; розробці способу введення гідродинамічно-активних домішок у трубопроводи протипожежних систем і рукавні лінії; проведенні випробування ефективності застосування полімерних композицій у промислових масштабах; розробці рекомендацій із застосування полімерних композиційних матеріалів у пожежогасінні і для аварійної відкачки води.
Об'єктом дослідження у дисертаційній роботі є технологічні процеси приготування і застосування гідродинамічно-активних полімерних композицій на основі високомолекулярних полімерів (ПЕО, ПАА) для зниження турбулентного тертя і поліпшення властивостей вогнегасних рідин, математичні моделі проведення розрахунків гідравлічних систем, які експлуатуються в режимі зниження гідродинамічного опору тертя.
Предметом дослідження дисертаційної роботи є фактори, що впливають на гідродинамічний опір систем аварійної відкачки води і пожежогасіння, а також на властивості вогнегасних рідин з полімерними домішками.
При проведенні досліджень використані аналітичні й експериментальні методи, що базуються на законах фізичної гідродинаміки, фізичної хімії розчинів високомолекулярних полімерів, фізичного моделювання, вивчення впливу гідродинамічно-активних полімерних композицій на зниження турбулентного тертя і поліпшення властивостей пожежогасильних рідин у натурних умовах.
Наукова новизна одержаних у дисертаційній роботі результатів полягає у: розробці і обґрунтуванні наукових засад технології приготування рідких полімерних композицій (тонкодисперсних суспензій) і твердих полімерних композицій (брикетів) на основі високомолекулярних ПЕО і ПАА; одержанні нових експериментальних даних про вплив полімерних домішок з водорозчинних полімерних композицій на величину турбулентного тертя в трубах, особливо, при малих концентраціях полімерів; теоретичному і експериментальному обґрунтуванні можливості застосування рідких і твердих полімерних композицій для покращення роботи протипожежної техніки (зниження турбулентного тертя, покращення властивостей вогнегасних рідин) і підвищення пропускної здатності систем аварійної відкачки води, включаючи каналізаційні системи; розробці математичної моделі зниження гідродинамічного опору тертя в турбулентних потоках розчинів високомолекулярних полімерів; обґрунтуванні умов, за яких застосування полімерних домішок для зниження турбулентного тертя є технічно і економічно вигідним.
Наукові положення, висновки і рекомендації, що сформульовані в дисертаційній роботі, теоретично обґрунтовані, їх вірогідність підтверджена результатами чисельних і фізичних експериментів, у тому числі в натурних умовах, проведених з використанням сучасних методів дослідження.
Наукове значення дисертаційної роботи полягає в розробці швидкорозчинних полімерних композицій у вигляді тонкодисперсних суспензій (паст) і твердих брикетів на основі високомолекулярних ПЕО і ПАА, розчини яких мають знижений гідродинамічний опір і поліпшені вогнегасні властивості в порівнянні з водою. Отримані експериментальні результати доповнюють відомості про зміну фізико-хімічних властивостей і гідродинамічного опору водних систем полімерними домішками. Побудовано напівемпіричну теорію зниження турбулентного тертя домішками, що дозволяє розраховувати профіль швидкості і коефіцієнт гідродинамічного опору в турбулентних плинах розчинів, у тому числі і при максимальному зниженні опору.
Практичне значення роботи полягає в розробці зручних для практичного використання швидкорозчинних полімерних композицій, упровадження яких у значній мірі дозволить поліпшити роботу систем аварійної відкачки води, централізованих протипожежних систем і пожежних автомобілів за рахунок зниження гідродинамічного опору в трубах (пожежних рукавах), збільшити далекобійність струменів, поліпшити властивості вогнегасних рідин. У роботі також розроблені математичні моделі зниження гідродинамічного опору тертя при турбулентному режимі течії рідин з домішками високомолекулярних полімерів, що можуть бути використані для розрахунку різних гідравлічних систем.
На основі отриманих при виконанні дисертаційної роботи, результатів розроблені рекомендації із застосування полімерних композиційних матеріалів для поліпшення роботи систем пожежогасіння й аварійної відкачки води.
Особистий внесок полягає в конкретній і особистій участі здобувача в одержанні наукових результатів, аналізі сучасного стану питання із застосування гідродинамічно-активних матеріалів для зниження турбулентного тертя рідин, в обґрунтуванні складу полімерних композицій, дослідженні фізико-хімічних властивостей і гідродинамічного опору тертя їх розчинів.
Крім цього, здобувач експериментально досліджувала вплив полімерних додатків на властивості вогнегасних рідин, а також, розробила математичні моделі розрахунку зниження гідродинамічного опору рідин з домішками гідродинамічно-активних полімерів.
Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися і обговорювалися на наукових конференціях професорсько-викладацького складу Донецького національного (державного) університету (м. Донецьк 1997 р., 2001 р.), на науково-технічній конференції “Шляхи розвитку гірничорятувальної справи” (м. Донецьк, 1997 р.), на ІІ республіканській науково-технічній конференції “Гідромеханіка в інженерній практиці” (м. Київ - Черкаси, 1997 р.), на 11 Європейській нараді із зниження опору (м. Прага, Чехія, 1999 р.), на міжнародному семінарі “Organized Vortical Motion as a Basis for Boundary Layer Control” (м. Київ, 2000 р.), на міжнародній науковій конференції “Актуальні проблеми механіки суцільних середовищ” (м. Донецьк, 2002 р.), на міжнародних семінарах ЮНЕСКО “Базові науки і вода” (м. Донецьк, 2003 р) та “Мікродомішки у воді” (м. Київ, 2003 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковані в співавторстві: одна монографія, 17 друкованих праць (з них 6 у фахових наукових виданнях, включених до Переліку ВАК України, 7 тез доповідей на міжнародних, республіканських і інших наукових, науково-технічних і науково-практичних конференціях і семінарах).
Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, шести розділів, висновків і додатків. Загальний обсяг дисертації: 206 сторінки, включаючи список літератури з 144 назв, 16 таблиць, 19 рисунків, 4 додатки.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ
У вступі обґрунтовуються актуальність теми і структурно-логічна схема дисертації. Тут же наведена загальна характеристика роботи.
Перший розділ присвячений огляду робіт із зниження гідродинамічного опору домішками і їх фізико-хімічними властивостями. Тут же розглядаються фізико-хімічні проблеми застосування гідродинамічно-активних високомолекулярних полімерів на практиці. На підставі аналізу роботи систем водяного пожежогасіння і аварійної відкачки формулюються постановка завдання і мета дисертації.
Зниження гідродинамічного опору при транспортуванні рідких середовищ по трубопроводу є не тільки важливим резервом економії електроенергії. Використання цього явища відкриває широкі перспективи у створенні нових чи в удосконаленні існуючих технологічних процесів, у тому числі і спрямованих на вирішення екологічних проблем.
Зменшення витрат енергії в трубопровідних системах і гідравлічних машинах, у яких реалізуються турбулентні плини рідини, можна одержати за рахунок зменшення інтенсивності турбулентності, що приводить до істотного зниження гідродинамічного опору. Останнє досягається шляхом введення в турбулентний потік рідини незначної кількості розчинних у ній полімерів великої молекулярної маси (ефект Томса), твердих часток, міцеллоутворюючих поверхнево-активних речовин (МПАР), за рахунок створення демпфіруючих покрить, впливу на пристінну течію газових мікропухирців. Можливі варіанти і змішаного (одночасного) використання податливого покриття, мікропухирців газу і полімерних додатків.
Застосування зазначених способів дозволяє істотно (на 50-80%) зменшити гідродинамічний опір при транспортуванні рідин по трубопроводах, а також підвищити ефективність роботи гідравлічних систем і машин.
Найбільш повно на сьогоднішній день з домішок, що знижують турбулентне тертя, вивчені полімери. З цих речовин накопичений великий експериментальний матеріал, що характеризує залежність величини ефекту зниження гідродинамічного опору від природи, концентрації і молекулярної маси полімерів, числа Рейнольда, геометрії каналів і т.д. Із полімерів найбільший інтерес представляють ПЕО і ПАА, тому що вони характеризуються високою гідродинамічною ефективністю, мають порівняно невисоку вартість і екологічно безпечні.
Наукові дослідження в основному присвячені вивченню тонкої структури пристінної турбулентності, поясненню механізму ефекту зниження опору, створенню методів розрахунку турбулентного плину рідин з гідродинамічно-активними домішками.
Виявлені та експериментально вивчені особливості впливу домішок на структуру пристінної турбулентності, мають місце досягнення в поясненні механізму ефекту зниження опору і створенні інженерних методів розрахунку турбулентних плинів рідини з додатками полімерів, показана можливість застосування домішок полімерів у суднобудуванні, нафтовій промисловості, гідротранспорті, а також інших технологічних процесах.
Однак, широкому застосуванню полімерів перешкоджає ряд виявлених недоліків – необоротна механічна деструкція макромолекул при тривалій експлуатації розчинів у трубопроводах і при проходженні через насоси, а також низька швидкість розчинення полімерів.
На рис. 1 представлені результати експериментальних досліджень залежності величини ефекту зниження гідродинамічного опору від числа прогонів по капіляру діаметром d=0,121 см водяних розчинів, що містять 10-6; 310-6; 10-5; 310-5 г/см3 ПЕО (криві 1-4) при напругах тертя на стінці w = 274 н/м2. Крива 5 відповідає вищевказаній залежності для розчину з концентрацією ПЕО 310-5 г/см3 при w = 55 н/м2. З наведених даних видно, що у всьому досліджуваному діапазоні концентрацій зі збільшенням числа прогонів і напруги тертя на стінці гідродинамічна ефективність розчинів ПЕО зменшується. Це дозволяє зробити висновок, що високомолекулярні полімери й композиції на їхній основі можуть бути використані для підвищення ефективності роботи розімкнутих гідравлічних систем до яких, у першу чергу, варто віднести системи пожежогасіння й аварійної відкачки води.
Рис. 1. Залежність величини ефекту зниження гідродинамічного опору від
числа прогонів через капіляр у водяних розчинах ПЕО
У другому розділі розглядаються фізико-хімічні властивості високомолекулярних полімерів (ПЕО, ПАА) і міцеллоутворюючих ПАР. Тут же наведені результати досліджень з розробки складу й основ технології приготування на основі ПЕО, ПАА й ПАР рідких (тонкодисперсні пасти) і твердих (брикети) водорозчинних полімерних композицій.
Широке застосування водорозчинних високомолекулярних полімерів в енергозбереженні й екології, включаючи вирішення проблем пожежогасіння, аварійної відкачки води, стримується тривалим у часі процесом їх розчинення, відсутністю такого устаткування для приготування розчинів (дозатори, змішувачі), що забезпечувало б максимальне збереження молекулярної маси полімеру.
У зв'язку з цим, в останні роки інтенсивно ведуться роботи зі створення пристроїв для ефективного розчинення порошкоподібних полімерів, а також розробляються швидкорозчинні полімерні композиції.
На основі аналізу робіт з гідродинаміки однорідних розчинів полімерів і їх сумішей з ПАР у Донецькому національному університеті були розроблені загальні технічні вимоги до водорозчинних полімерних композицій, основними з яких є: висока швидкість розчинення, що дозволяє, із застосуванням спеціальних генераторів, за 10-15 секунд приготувати однорідні розчини із вмістом полімерів (0,005-0,1) мас. %, без істотного зниження їх молекулярної маси; збереження домішками високої гідродинамічної активності і флокулюючої дії у водних середовищах, що відрізняються підвищеним вмістом солей твердості, наявністю механічних домішок, широкими діапазонами зміни значень водневого показника середовища рН = (4,5-9,5) і температур t = (0-100)С; відсутність корозійного впливу на проточну частину гідросистем; збереження властивостей композицій (полімерозміст, швидкість розчинення, молекулярна маса полімеру) протягом тривалого часу збереження (5 років і більше); пожеже- і вибухобезпечність; доступність і дешевизна складових компонентів; прийнятні для різних галузей промисловості умови збереження і транспортування.
У ході виконання роботи, були уточнені склади (див. табл. 1) і засади технології приготування рідких полімерних композицій (РПК) для застосування в системах аварійної відкачки води й у пожежогасінні.
Таблиця 1
Склад рідких полімерних композіцій
|
|
мас. % |
ПК–2 |
мас. % |
|
ПЕО: Молекулярна маса (2,36,5)106; розмір полімерних часток не більше 400 мкм |
5-25 |
ПАА: молекулярна маса (1,8 6,1)106; ступінь гідролізу 16 %; розмір часток не більше 400 мкм |
5-25 |
|
Гліцерин динамітний |
70,5-90,5 |
Діетиленгліколь |
52,5-72,5 |
|
Вода дистильована |
4,5 |
Калій йодистий |
22,5 |
Спроби створити рідку полімерну композицію із вмістом полімеру 30 мас % і більше не дали бажаного результату через різке зростання її в'язкості.
Для застосування на практиці можуть бути рекомендовані рідкі композиції із вмістом (до 25 мас. %) полімерів. При цьому слід зазначити, що композиції, в яких концентрація ПЕО і ПАА перевищує 10 мас. % можуть бути ефективно використані тільки з застосуванням спеціальних генераторів приготування розчинів.
Особливий інтерес для застосування в мобільних установках пожежогасіння й аварійної відкачки води представляють тверді водорозчинні полімерні композиції (ТВПК), що дозволяють без спеціального устаткування приготувати розчини, що характеризуються зниженим гідродинамічним опором, безпосередньо в трубопроводах і рукавах. В ході досліджень установлено, що найбільш ефективним є застосування ТВПК у проточних касетах. При цьому полімерна композиція наноситься на змінні армуючі вставки в спеціальних формах („пустотілий циліндр”, „сітка згорнута спіраллю”, „плоскопаралельні пластини” і т.д.).
ТВПК формується на поверхні армуючої вставки після розігріву спеціально підготовленої суспензії ПЕО до температури (58-60)С з подальшим її охолодженням до кімнатної температури.
У розділі 3 описані експериментальні установки, методики проведення дослідження гідродинамічної ефективності і фізико-хімічних властивостей полімерних матеріалів.
Для вивчення гідродинамічної активності домішок, встановлення меж їх застосування, а також для контролю якості полімерних композицій у процесі збереження можуть бути використані турбореометри різних конструкцій, трубні стенди (розімкнутого і замкнутого типу), а також ротаційні установки (диски, коаксіальні циліндри).
Для експрес-контролю доцільно використовувати турбореометри, тому що вони дають можливість за малі відрізки часу одержати повну характеристику про ефективність випробовуваного матеріалу (визначення оптимальної концентрації, встановлення залежності величини ефекту зниження опору тертя від температури, солоності розчинника і його водневого показника рН).
Дослідження полімерних матеріалів на трубних стендах дозволяють дати оцінку його ефективності в трубах промислових діаметрів із природною шорсткістю поверхні.
Оцінку ефективності полімерних розчинів, що характеризуються зниженим гідродинамічним опором від часу їх експлуатації (дослідження явища механічної деструкції полімерних молекул) доцільно проводити в умовах чистого зсуву з застосуванням ротаційної установки (у зазорі між коаксіальними циліндрами).
У процесі виконання роботи проводився постійний контроль молекулярної маси випробовуваних полімерів, в'язкості розчинів, швидкості і повноти розчинення полімерних композицій. Такий комплексний підхід до досліджень дозволяє одержати цілісну картину про фізико-хімічні властивості і гідродинамічну ефективність полімерних матеріалів.
У якості досліджуваних гідродинамічно-активних матеріалів використовувався ПЕО з молекулярною масою (2,36,5)·106 (виробництва НДІ хімічної технології, м. Новосибірськ, Росія) і ПАА з молекулярною масою (1,86,1)·106 (виробництва НІФХІ ім. Л.Я. Карпова, м. Москва, Росія).
Для приготування рідких і твердих полімерних композицій використовувалися гліцерин динамітний, діетиленгліколь , калій йодистий, алкілсульфати натрію з довжиною вуглеводних радикалів С12 -С18 , дистильована вода.
При порівняльній оцінці вогнегасних властивостей водяних розчинів гідродинамічно-активних полімерних композицій використовувалися поверхнево-активні речовини “Сульфанол-З” (ТУ 84-509-81), “Кубоксалим ПФ-2” (ТУ 6—01-1В-14-84), “Поток” (ТУ 38 407203-82), ПО-1А (ТУ 38-10923-75), “Прогресс”, а також неорганічні солі – натрій вуглекислий і натрій оцетокислий.
Підвищенню пропускної здатності трубопроводів систем аварійної відкачки води присвячений розділ 4. Проблеми експлуатації систем аварійної відкачки води, включаючи каналізаційні мережі, давно є об'єктом пильної уваги вчених і фахівців, але ніколи вони не були настільки актуальними і невідкладними як нині, у зв'язку з гострою необхідністю і терміновістю виконання заходів щодо охорони навколишнього середовища у державному масштабі.
Системи аварійної відкачки води і каналізації у період пікових навантажень, як буде показано нижче, являють яскравий приклад застосування домішок високополімерів, які знижують турбулентне тертя. Створення водорозчинних рідких і твердих полімерних композицій відкриває перспективи їх широкого застосування.
У дисертаційній роботі як системи аварійної відкачки води розглядаються водовідливні шахтні установки і господарчо-побутові каналізаційні системи.
Результати експериментів на турбореометрі з діаметром капіляру d=1,2 мм показали, що максимальне зниження гідродинамічного опору (рівне 75 %) досягається в шахтній і стічній водах при вмісті ПЕО з молекулярною масою М=4.8106 (виробництва НДІ хімічної технології, м. Новосибірськ, Росія) рівному 0,001-0,007 мас. % (табл. 2). Така ж величина ефекту отримана при використанні як домішок, що знижують турбулентне тертя - ПАА з молекулярною масою М= 4,2·106 , синтезованого в дослідницькому виробництві НІФХІ ім. Л.Я. Карпова (м. Москва).
Особливу увагу при виконанні дисертаційної роботи приділено дослідженню механічної і окисної деструкції водних розчинів ПЕО і ПАА з РПК. Це обумовлено тим, що речовини, які зменшують окисну і механічну деструкцію, можуть бути введені у склад композицій заздалегідь.
На рис.2 як приклад наведені результати експериментальних досліджень залежності величини ефекту зниження гідродинамічного опору від часу перебування розчинів у зазорі між коаксіальними циліндрами.
Таблиця 2
Залежність величини ефекту зниження гідродинамічного опору(/,%) від концентрації ПЕО (СПЕО,%, мас) у шахтній воді (1) і у воді з каналізаційного колектора (2).
|
№ з/р |
СПЕО,% |
5 10-4 |
7 10-4 |
10-4 |
5 10-4 |
7 10-4 |
10-3 |
5 10-3 |
7 10-3 |
10-2 |
|
1 |
,% |
40 |
47 |
52 |
66 |
71 |
75 |
76 |
75 |
69 |
|
2 |
,% |
38 |
44 |
47 |
62 |
70 |
74 |
75 |
75 |
70 |
З наведених даних видно, що введення антиоксиданту (йодистого калію) 0,05 мас. % від вмісту ПЕО приводить до зменшення втрати розчином гідродинамічної ефективності (крива 2).
Введення МПАР (алкілсульфату натрію з довжиною вуглеводних радикалів С12 – С18 ), також дозволяє зменшити деструкцію молекул ПЕО (крива 3) у порівнянні з розчином РПК без домішок (крива 1).
Промислові випробування гідродинамічної ефективності полімерних домішок з використанням рідкої полімерної композиції, що містить 5 мас. % ПЕО і 95 мас. % гліцерину, проводилися на ділянці трубопроводу системи водовідливу шахти ім. М.І. Калініна загальною довжиною 710 м. Вимірювальна ділянка складалася з труб діаметром 150 і 100 мм, довжина яких складала 230 і 480 метрів відповідно.
Рис.2. Залежність величини ефекту зниження гідродинамічного опору РПК від часу знаходження водяних розчинів у зазорі між коаксіальними циліндрами. Концентрація ПЕО в 1,2,3 - 0,0075 мас. %.
Для дозованого введення полімерної композиції у трубопровід використовувався спеціальний пристрій, що складається з герметичної ємності для рідкої полімерної композиції з мірним склом, балона зі стисненим повітрям, редуктора, пробкового крану, сполучних шлангів високого тиску.
Витрати води по трубопроводу змінювали за допомогою засувки, встановленої на початку контрольної ділянки, і вимірювали водоміром. Витрати тиску на лінійних ділянках і по всій довжині трубопроводу вимірювали за допомогою зразкових манометрів.
Результати випробувань показали (дані експерименту наведені у табл. 3), що через 5 хвилин з моменту початку подачі полімерної композиції в трубопровід гідравлічні втрати на всій випробовуваній ділянці зменшилися на 12 %, а через 15 хвилин - на 55 % (при рівних витратах води і випробовуваного розчину полімерної композиції). Для одержання максимального гідродинамічного ефекту на трубопроводах великої довжини за малі проміжки часу вважається доцільним: вводити полімерні композиції, що знижують гідродинамічний опір, одночасно в декількох місцях по довжині трубопроводу.
Таблиця 3
Залежність величини ефекту зниження гідродинамічного опору (/, %) від часу введення домішок ( ,хв.) у трубопровід.
|
, хвилин |
5 |
10 |
15 |
20 |
25 |
30 |
35 |
40 |
45 |
50 |
55 |
60 |
65 |
70 |
75 |
80 |
|
,% |
12 |
37 |
55 |
57 |
60 |
59 |
58 |
60 |
59 |
60 |
60 |
60 |
60 |
60 |
59 |
60 |
Очевидно, що аналогічні результати можна одержати і при використанні гідродинамічно-активних полімерних композицій у напірних каналізаційних системах, що (у порівнянні із системами водовідливу шахт) відрізняються значно більшою довжиною прямолінійних ділянок трубопроводу і меншою мінералізацією стічних вод. Тому варто очікувати, що ефективність застосування додатків у цих системах буде вищою.
Попередні оцінки техніко-економічної ефективності практичного застосування домішок, що знижують гідродинамічний опір, були проведені для каналізаційної мережі м. Донецька, що забезпечує перекачування понад 360000 м3 стічних вод на добу. При цьому в розрахунках приймали, що полімерні домішки знижують гідродинамічний опір в трубопроводах на 50 %. Результати розрахунку показали, що гідродинамічно-активні домішки дозволяють: або заощадити в годину близько 85 тис. кВт. електроенергії (за рахунок зменшення енерговитрат на перекачування стічних вод), або збільшити витрати стічних вод в існуючих трубопроводах у середньому на 144 тис. м3 на добу. Останнє доцільно використовувати в період пікових навантажень на каналізаційну мережу.
Таким чином, застосування гідродинамічно-активних полімерних композицій на основі ПЕО і ПАА відкриває широкі перспективи підвищення ефективності роботи каналізаційних систем, систем аварійної відкачки води без залучення додаткових потужностей і зміни конструкції гідравлічних систем. При цьому для кожного конкретного випадку необхідно підібрати найбільш ефективну гідродинамічно-активну полімерну композицію, що забезпечить максимальне зниження гідравлічних втрат у трубопроводах.
П'ятий розділ дисертації присвячений застосуванню гідродинамічно-активних композицій у пожежогасінні.
Проведені дослідження показали, що в протипожежній техніці можна застосовувати рідкі, пастоподібні і тверді водорозчинні полімерні композиції (РВПК, ПВПК, ТВПК). При цьому для стаціонарних систем пожежогасіння доцільно використовувати РВПК і ПВПК, а для мобільних (пожежні автомобілі, потяги, при гасінні пожеж у шахтах і т.д.) – ТВПК і РВПК.
Зниження гідродинамічного опору. Промислові випробування гідродинамічної ефективності рідкої полімерної композиції, що містила 5,0 мас. % ПЕО і 95,0 мас. % сполучного (суміші гліцерину з водою), на ділянці трубопроводу відкачки шахтної води показали можливість її застосування й у централізованих системах водяного пожежогасіння. При цьому висококонцентровані полімерні композиції доцільно використовувати зі спеціальними генераторами готування розчинів, а рідкі композиції які містять до 10,0 мас. % порошкоподібного полімеру можуть безпосередньо подаватися в систему трубопроводів у якій і відбудеться їх розчинення.
Великі перспективи практичного застосування в мобільних установках для пожежогасіння мають (ТВПК), що дозволяють досить швидко одержувати велику кількість рідин з домішками ПЕО чи ПАА без застосування спеціального устаткування.
Кількість використовуваних касет і місця їх установки визначаються довжиною рукавної лінії. При цьому необхідно враховувати, що для досягнення максимального зниження опору доцільно встановлювати одну касету з брикетом із ТВПК на кожні 200–300 метрів пожежного рукава. Ефективність приготування водяних розчинів ТВПК із застосуванням проточних касет визначалася в ході проведення лабораторно-стендових і полігонних випробувань.
У ході випробувань контролювалися наступні параметри: витрата води в рукавній лінії, м3/год.; температура води, оС; маса брикету з ТВПК, кг; поверхня масоз’єму ТВПК, м2; час активної роботи брикету, год.
У процесі розмиву брикету з рукавної лінії з інтервалом 3–5 хвилин відбирали проби розчинів, що намиваються, і визначали їхню гідродинамічну ефективність за допомогою турбулентного реометра. Потім з використанням заздалегідь побудованої кривої залежності величини ефекту зниження гідродинамічного опору від концентрації полімеру в розчині визначали вміст ПЕО у випробовуваних ( що намиваються) розчинах.
Усього було випробувано більше двадцяти різних складів ТВПК, що наносилися на армуючі вставки різних геометричних форм. Були також випробувані різні варіанти підключення касет, у тому числі їхнє послідовне з'єднання, що дозволяло збільшити поверхню масоз’єму ТВПК. Найбільш характерні осереднені результати випробувань наведені в табл. 4 і на рис. 3 і 4.
З наведених даних видно, що практично в усіх випадках (за винятком експерименту № 1) забезпечується приготування розчинів ПЕО необхідних концентрацій, що мають високу гідродинамічну ефективність. Так, наприклад, в експерименті № 2 при поверхні масоз’єму ТВПК, рівної 0,35 м2, за допомогою касети з армуючої вставкою - сіткою, згорнутою у вигляді спіралі, за одну годину було приготовлено 6 м3 розчину, що містить (4,75,1)10-4 мас. %. ПЕО.
Збільшення поверхні масоз’єму ТВПК майже вдвічі (до 0,69 м2) за рахунок послідовного встановлення двох касет (експеримент № 3) дозволяє збільшити вміст ПЕО до (6,88,1)104 мас. % ПЕО. Перехід до армуючої вставки з дев'яти плоских пластин з загальною поверхнею масоз’єму 0,42 м2 (експеримент № 4) дозволяє за допомогою однієї касети приготувати 4 м3 розчину з ТВПК вмістом ПЕО (4,055,9)10-4 мас. % за 1 годину. Варто очікувати, що установка трьох касет з такими армуючими вставками дозволить потроїти об’єм розчину, що готується, і тим самим цілком забезпечити приготування модифікованих рідин з необхідною концентрацією ПЕО для пожежного автомобіля.
Полігонні випробування брикетів із ТВПК проводилися з використанням пожежного автомобіля АЦ-40 разом з підрозділом пожежної охорони Донецької залізниці. Випробування проводилися в два етапи. В якості пожежогасильної рідини на першому етапі використовували водопровідну воду, на другому - водний розчин ТВПК на основі ПЕО (М=4,8 106). У ході іспитів контролювалися: витрата пожежогасильної рідини по рукавній лінії довжиною 260 м з внутрішнім діаметром 51 мм (Q, л/с); тиск на початку рукавної лінії та тиск у стволі (з діаметром насадки 13 мм) (Р,кг/см2); далекобійність струменя (L, м). Результати випробувань приведені в табл. 5.
Таблиця 4
Результати експериментальних досліджень з оцінки ефективності готування пожежогасильних рідин із твердих водорозчинних полімерних композицій на основі поліетиленоксиду
|
№№ з/р |
Склад композиції. Умови приготування: температура, час витримки у литтєвій формі. Геометрична форма армуючої вставки |
Поверхня масоз’єму ТВПК, м2 |
Час активної роботи брикету, хвилин |
Витрата води через касету, м3/год./ температура води, 0С |
Величина ефекту зниження гідродинамічного опору, % |
Час контролю концентрації з моменту розмиву, хв./ Вміст ПЕО, мас. % х 104 |
|
1 |
(СПЕО=80г)+(СГЛ=28.2г) + (ССП=70г)+(СПАР=1.5г) t,0С = 58.0 Тв = 1.5 години Армуючі вставки: а) сітка з ТВПК на внутрішній поверхні корпусу касети S1 = 0.076 м2 б) циліндрична вставка "пустотілий циліндр" S2 = 0.068 м2 |
S = S1+S2= 0.144 м2 |
50 |
9.0 / 22.5 |
(39–) |
(9–)/ (2.0–.2) |
|
2 |
(СПЕО=160г)+(СГЛ=44.4г) + (ССП=120г) + (ПАР = 3.0г) t,0С = 58.0 Тв = 1.5 години Армуюча вставка – сітка, згорнута спіраллю |
0.35 |
64 |
6.0 / 22.0 |
(50–) |
(3–15)/ (3.2–.7) (16–)/ (4.7–.1) |
|
3 |
Склад – той самий. Умови готування – ті ж. Послідовне з'єднання 2-х касет. Армуюча вставка – сітка, згорнута спіраллю |
0.69 |
34 |
6.0/21.0 |
(63-66) |
(3-6)/6.8 (6-34)/ (7.4-8.1) |
|
4 |
(СПЕО=32г)+(СГЛ=16.8г) + (ССП=16г) + (ПАР = 0.6г) t,0С = 58.5 Тв = 1 година Армуюча вставка – 9 плоско-рівнобіжних пластин. |
0.42 |
79 |
4.0/(21-23) |
(54-62) |
(8-79)/ (4.05-5.9) |
|
Рис. 3. Залежність величини ефекту зниження гідродинамічного опору (E, %) у водяних розчинах від часу розмиву брикету. Для кривих 1-4 умови експерименту наведені в табл.4. під №№ 2,1,3,4, відповідно. |
Рис. 4. Залежність концентрації поліетиленоксиду (СПЕО, ppm) у водяних розчинах, що намиваються з ТВПК, від часу розмиву брикету. Позначення ті ж, що й на рис. 3. |
Таблиця 5
Результати полігонних випробувань
|
№ з/р |
Р, кг/см2 |
Р, кг/см2 |
Q, л/с |
L, м |
|
Вогнегасна рідина - вода |
||||
|
1 |
2 |
1,4 |
1,3 |
19 |
|
2 |
4 |
3,0 |
2,7 |
21 |
|
3 |
6 |
4,8 |
3,3 |
25 |
|
Вогнегасна рідина – водний розчин ТВПК |
||||
|
4 |
4 |
3,0 |
3,60 |
27 |
|
5 |
6 |
5,0 |
4,55 |
32 |
З наведених даних видно, що установка однієї проточної касети з ТВПК приводить до збільшення витрати пожежогасильної рідини по рукавній лінії і збільшує далекобійність сформованого в стволі струменя.
Так, наприклад, при тиску на початку рукавної лінії 6 кг/см2 витрата пожежогасильної рідини збільшується на 39 %, а далекобійність струменя – на 28 % (у порівнянні з водою). При цьому втрати тиску в рукавній лінії знизилися на 17 %.
Варто очікувати, що подальше удосконалення конструкції касети і складу ТВПК (з метою збільшення масоз’єму полімеру) дозволить збільшити величину ефекту зниження гідродинамічного опору до (60-75) %.
Поліпшення вогнегасних властивостей. Погляди на вплив домішок водорозчинних високомолекулярних полімерів на вогнегасні властивості води і водяних розчинів (ПАР) (змочувачів поверхні матеріалів, які горять) суперечливі. Одні дослідники вважають, що “вода з полімерними домішками має ефект гасіння, дуже близький до ефекту гасіння чистою водою”, інші доводять, що введення високомолекулярних сполучень істотно поліпшує вогнегасні властивості води і водяних розчинів змочувачів.
У зв'язку з вищевикладеним, були проведені зрівняльні іспити вогнегасних властивостей водопровідної води (ВВ); водяного розчину полімерної композиції ПК-1, що містить 0,012 мас. % ПЕО (ВР-1); водяного розчину полімерної композиції ПК-2, що містить 0,012 мас % ПАА (ВР-2); водяні розчини суміші ПК-1 із фтор-ПАР “Кубоксалим” (ВР-3); водяні розчини суміші ПК-2 із фтор-ПАР “Кубоксалим” (ВР-4); водяні розчини 0,02 мас %. Фтор-ПАР “Кубоксалим” (ВР-5). Концентрація ПЕО в ВР-3 і ПАА в ВР-4 після розчинення композицій ПК-1 і ПК-2 дорівнює 0,012 мас %, а фтор-ПАР “Кубоксалим” – 0,02 мас %.
Проведені лабораторні випробування показали, що підвищену здатність гасити вогонь (у порівнянні з чистою водою) мають як водяний розчин фтор-ПАР “Кубоксалим”, так і водяні розчини суміші “полімерна композиція – фтор-ПАР “Кубоксалим”.
Введення у воду домішок фтор-ПАР “Кубоксалим” зменшує час гасіння (при рівних витратах рідин) транспортерної стрічки - у 8,7 рази; руберойду – у 2,4 рази; декана – у 3,5 рази; деревини (сосни) – у 3,5 рази; органічного скла – у 1,4 рази; фарби масляної МА-12 – у 1,3 рази; пінопласту – у 1,9 рази.
Високу вогнегасну ефективність мають також і розчини натрієвої солі вторинних алкілсульфатів (паста “Прогресс” марки 20), поліакриламіду і їх суміші.
Полігонні випробування (в якості матеріалів, які горять, використовували шахтну транспортерну стрічку, автомобільну покришку, відпрацьоване індустріальне мастило И-40, деревину - поліна акації, які були покладені в штабель) показали, що використання водяного розчину фтор-ПАР “Кубоксалим” (ВР-5), водяних розчинів полімерів (ВР-1 і ВР-2) і сумішей “полімер – фтор-ПАР “Кубоксалим” (ВР-3 і ВР-4) приводить до різкого зменшення часу гасіння вище вказаних матеріалів. У порівнянні з водою тривалість гасіння транспортерної стрічки розчинами ВР-1, ВР-2, ВР-3, ВР-4 і ВР-5 зменшується в 2,75; 2,75; 3,17; 3,24 і 2,1 рази, а витрата цих рідин - у 2,3; 2,3; 2,58; 2,7 і 2,1 рази, відповідно. Використання водяних розчинів суміші “полімер – фтор-ПАР “Кубоксалим”” (ВР-3) дозволило зменшити час гасіння автомобільної покришки у порівнянні з водою у 1,25 рази.
Застосування в якості пожежогасильної рідини водяних розчинів, що містять 0,012 мас % ПЕО і 0,02 мас. % фтор-ПАР “Кубоксалим” зменшує час гасіння відпрацьованого індустріального мастила И-40 у 1,7 рази, а витрата – у 1,4 рази. При гасінні деревини (акації) час гасіння зменшилося в 1,9 рази, а витрата вогнегасної рідини в 1,5 рази.
Шостий розділ дисертаційної роботи присвячений створенню методів розрахунку зниження гідродинамічного опору рідин домішками полімерів.
Для теоретичного опису ефекту зниження турбулентного тертя рідин домішками високомолекулярних полімерів мають місце два підходи – континуальний і структурний. Перший підхід, що використовує зрівняння стану реологічних середовищ, пов’язаний з великими труднощами. У першу чергу це пов'язано з відсутністю до цього часу задовільної нелінійної реологічної моделі, що дозволяє адекватно описати поводження рідини з полімерними домішками в умовах турбулентного руху. Структурному підходу, що базується на розгляді взаємодії окремих мікрочастинок (наприклад, полімерних молекул) з турбулентним збурюванням потоку, також притаманні свої труднощі. Головною з них є складність адекватної побудови механізму впливу домішок на турбулентність.
У роботах Ступіна О.Б. (у рамках структурного підходу) побудована напівемпірична теорія і розроблена безшарова модель, що дозволяє розраховувати профіль швидкості і коефіцієнт гідродинамічного опору в турбулентних течіях полімерних розчинів. В основу цієї теорії покладено механізм резонансного поглинання турбулентної енергії макромолекулами полімерів.
У дисертаційній роботі з метою одержання більш простих співвідношень для прикладних розрахунків побудовані осереднені дво - і тришарова моделі течії рідини з полімерними домішками. Для цих моделей вводиться осереднений коефіцієнт анізотропії динамічної в'язкості А, шляхом переходу до відношення осереднених частот колмогоровського збурювання в розчиннику до першої частоти релаксації полімерної молекули n
Тут С, М – концентрація і молекулярна маса полімеру; р – кількість сегментів у молекулярному ланцюжку полімеру; , де - граничне значення динамічної швидкості, - динамічна швидкість розглянутої течії.
Відповідно до прийнятого в теорії турбулентності схематизації для двошарової моделі вважається, що вся дія полімерних добавок зводиться до стовщення грузлого підшару. При цьому коефіцієнт гідродинамічного опору тертя рідин з полімерними добавками може бути розрахований зі співвідношень
;
де Re*=u*/; 1=1A/u*.
При визначенні коефіцієнта 1 для розчинника (води) необхідно прийняти А = 1.
На рис.5 представлені результати розрахунку з використання двошарової моделі залежності коефіцієнта гідродинамічного опору від числа Рейнольдса Re для течії в трубі діаметром d = 9 10-3м води (крива 1) і водяних розчинів поліетиленоксиду концентрації С = 2 10-6; 5 10-6; 10-5; 5 10-5 г/см3 (криві 2,3,4,5 відповідно). Тут же наведені дані експерименту для тих же концентрацій поліетиленоксиду (криві 2', 3', 4', 5'). Молекулярна маса поліетиленоксиду М= 3·106 , число сегментів у молекулярному ланцюжку N = 10. Крива 6 описує максимальне зниження гідродинамічного опору (асимптота Вірка): 1/0,5 = 9.5 lg(Re0,5) - 19,06. З даних рис. 6 видно, що в області великих чисел Re для всіх концентрацій поліетиленоксиду результати теорії й експерименту узгоджуються задовільно.
|
Рис. 5. Залежність коефіцієнту гідродинамічного опору розчинів полімерів λ від числа Re (2’-5’експериментальні дані, 1-6 – результати розрахунку ) |
Рис. 6. Залежність коефіцієнту гідродинамічного опору розчинів полімерів λ від числа Рейнольдса Re (1’-5’–експериментальні дані, 1-5 – результати розрахунку ) |
У тришаровій моделі між поверхневим шаром біля стінки і повністю турбулентною областю вводиться перехідна зона, що враховує взаємодію молекулярного і молярного обміну.
При цьому коефіцієнт гідродинамічного опору рідин з полімерними домішками розраховується за формулою
= 8(u*/up)2 = 8 [u*/(up1 + up11 + up111)]2.
Тут up1, up11, up111 –середньовитратні швидкості, визначені по області в’язкого шару, перехідній зоні і турбулентному ядру течії відповідно.
Для них маємо:
де 2 =1A/u*; 3 =2A/u*. При обчисленні ( для розчинника (води) потрібно приймати А = 1.
На рис.6 представлені також результати розрахунків коефіцієнту λ, за тришаровою моделлю. Позначення і експериментальні дані ті ж, що і на рис. 5. З даних на рис.6 видно, що результати розрахунку добре узгоджуються з експериментальними даними.
Таким чином, тришарова модель може бути використана для розрахунку гідродинамічного опору турбулентних течій з полімерними домішками у всій області зміни чисел Рейнольдса, а двошарова модель - при великих числах Рейнольда.
Максимально можливе зниження опору. Подальші дослідження були спрямовані на визначення можливості застосування тришарової моделі для розрахунку залежності λ від Re, з виходом кривих на асимптоту Вірка 1/= 9,51lg(Re) –,06, що описує граничне (максимально можливе) зниження опору.
На рис. 7 наведені дані результатів розрахунку (1÷6) і експериментальні дані (2', 3', 4') при течії в трубі діаметром d=8·10-3м води (1,6 – турбулентний, ламінарний режим течії відповідно) і водних розчинів (2,3,4), що містять 10-5; 1,5 10-5 і 5·10-5 г/см3 ПЕО. Молекулярна маса М полімеру і число сегментів у молекулярному ланцюжку N дорівнюють 7·106 і 10, відповідно.
Рис.7. Залежність коефіцієнта гідродинамічного опору λ розчинів полімерів від числа Рейнольдса Re (2’,3’,4’–експериментальні дані, 1-6 – результати розрахунку ).
З наведених на рисунку даних видно добрий збіг результатів розрахунку (криві 2,3,4) з експериментальними даними (криві 2', 3', 4') до деякого числа Рейнольдса Remin, при якому величина λ досягає свого мінімального значення. Збільшення коефіцієнта λ в області чисел Рейнольдса Re> Remin пов'язано з деструкцією полімерних молекул і зниженням їх ефективності. При цьому варто помітити, що залежність λ= л(Re) для розчинів ПЕО (С=5·10-5 г/см3) при Re=105 практично виходить на асимптоту Вірка.
Таким чином, тришарова модель може бути використана для розрахунку гідродинамічного опору рідини з полімерними домішками в широкому діапазоні чисел Re, у тому числі і при максимальному зниженні гідродинамічного опору.
ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ
1. Розроблено склад і основи технології приготування, досліджено фізико-хімічні властивості і гідродинамічна ефективність рідких і твердих полімерних композицій на основі ПЕО і ПАА для підвищення ефективності роботи систем водного пожежогасіння й аварійної відкачки води.
Введення мікродомішок таких полімерних композицій у воду, що перекачується, у кількості (5-50) г/м3 (по полімеру) дозволяє на 50-75 % знизити гідравлічні витрати в трубопроводах.
Показано, що застосування полімерних композицій значно спрощує процес приготування полімерних розчинів у порівнянні з полімерними порошками.
2. Проведені комплексні теоретичні й експериментальні дослідження механічної деструкції полімерних розчинів, на підставі яких визначені умови застосування домішок, що знижують турбулентне тертя, у розімкнутих гідравлічних системах. Так, наприклад, установлено, що в розчинах ПЕО з концентрацією більше оптимальної спостерігається зменшення деструкції полімерних молекул. Це пов’язано з утворенням у розчині додаткових численних зв'язків між молекулами, що стає на перешкоді розривів окремих молекулярних ланцюжків у початковій стадії процесу деструкції.
3. Розроблені, випробувані в лабораторних і натурних умовах пристрої для введення рідких полімерних композицій у систему трубопроводів і приготування однорідних полімерних розчинів із ТВПК у проточних касетах із вставками різної геометричної форми. Показано, що рідкі полімерні композиції, що містять до 5,0 мас. % полімеру, можуть безпосередньо подаватися в систему трубопроводів для зниження в них гідродинамічного опору тертя. Застосування РПК із великим вмістом полімеру зв'язано з використанням спеціальних генераторів приготування розчинів.
4. Проведені стендові і натурні випробування показали, що домішки, які знижують турбулентне тертя, доцільно застосовувати в трубопроводах, які мають велику довжину, L/d 3000. При цьому, для стаціонарних гідравлічних систем пожежогасіння й аварійної відкачки води доцільно використовувати РВПК і ПВПК, а в мобільних – РВПК і ТВПК.
5. Промислові випробування гідродинамічної ефективності РВПК, що містить 5,0 мас. % порошкоподібного ПЕО з молекулярною масою 4,8·106 і 95,0 мас. % суміші гліцерину і води показали можливість зниження гідравлічних витрат у трубах діаметром 100 і 150 мм на (57-60)%. Це дозволяє збільшити витрату води по трубопроводу в 1,58 разів.
6. Полігонні випробування проточної касети з брикетом із ТВПК, з використанням пожежного автомобіля АЦ-40 показали, що розчин, який утворюється в рукавній лінії, характеризується зниженим гідродинамічним опором (у середньому на 50%). Це дозволяє на 39% збільшити витрату рідини, яка гасить пожежі (у порівнянні з водою) і на 28% - далекобійність струменя, сформованого у стволі з діаметром насадка 16 мм.
7. Встановлено, що введення мікродомішок високомолекулярних полімерів (ПЕО, ПАА) поліпшує пожежогасильні властивості води і водних розчинів ПАР (натрієвих солей вторинних алкілсульфатів, фтор-ПАР “Кубоксалим” і т.д.). Так, наприклад, введення у воду 0,012 мас. % ПЕО і 0,02 мас. % фтор-ПАР “Кубоксалим” зменшує час гасіння деревини (акації) у 1,7 рази, а кількість поданої у вогнище пожежогасильної рідини – у 1,5 рази.
8. З метою отримання більш простих співвідношень у прикладних розрахунках побудована осереднена дво - і тришарова моделі течії рідин з полімерними домішками. Для цих моделей введено осереднений коефіцієнт анізотропії динамічної в'язкості.
Порівняння результатів розрахунку з експериментальними даними показали, що тришарова модель з достатнім ступенем точності може бути використана для розрахунку гідродинамічного опору турбулентних течій з полімерними домішками по всій області зміни чисел Рейнольдса, а двошарова модель – при великих числах Рейнольдса. При цьому тришарова модель може також використовуватися для розрахунків залежності коефіцієнта гідродинамічного опору від числа Рейнольдса при максимальному зниженні гідродинамічного опору тертя.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ
монографія:
1. Гидродинамически - активные полимерные композиции в пожаротушении / А.Б. Ступин, А.П. Симоненко, П.В. Асланов, Н.В. Быковская. – Донецк: ДонНУ, 2001, -198 с.
у наукових фахових виданнях:
за матеріалами конференцій та семінарів:
в інших виданнях:
АНОТАЦІЯ
Биковська Н.В. Застосування гідродинамічно-активних полімерних композицій для підвищення ефективності роботи систем протипожежної техніки й аварійної відкачки води. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 21.06.01 – Екологічна безпека. - Донецький національний університет, Донецьк, 2004.
Дисертація присвячена розробці наукових засад приготування і застосування гідродинамічно-активних полімерних композицій для збільшення пропускної здатності систем аварійної відкачки води, підвищення ефективності роботи систем водного пожежогасіння, а також створенню математичних моделей ефекту зниження гідродинамічного опору тертя за допомогою домішок високомолекулярних полімерів.
У роботі обґрунтований склад, розроблені технологічні процеси приготування рідких (РВПК) і твердих (ТВПК) полімерних композицій, досліджені фізико-хімічні властивості і гідродинамічна ефективність їх розчинів.
Проведені промислові випробування РВПК на ділянці шахтного протипожежного трубопроводу. Показано, що введення мікродомішок РВПК дозволило знизити гідравлічні витрати в трубопроводі в середньому на 60 %. Проведені полігонні випробування брикетів із ТВПК на пожежному автомобілі АЦ-40. Показано, що в рукавній лінії за рахунок установки проточної касети з ТВПК витрату води збільшені на 39 %, а далекобійність струменя, сформованого у стволі з діаметром насадки 13 мм – на 28 % (у порівнянні з чистою водою).
Досліджено вплив мікродомішок високомолекулярних ПЕО і ПАА на вогнегасні властивості води, водних розчинів змотувачів - натрієвих солей вторинних алкілсульфатів і фтор-ПАР “Кубоксалим”. Встановлено, що введення ПЕО і ПАА значно поліпшує вогнегасні властивості води і водяних розчинів змочувачів.
У рамках структурного підходу, з використанням коефіцієнту анізотропії динамічної в'язкості, побудована напівемпірична теорія зниження турбулентного тертя рідин додатками полімерів, що дозволяє розрахувати профіль швидкості і коефіцієнт гідродинамічного опору в турбулентних потоках полімерних розчинів, у тому числі і при максимальному зниженні опору.
Для одержання більш простих співвідношень у прикладних розрахунках побудовані осереднені дво - і тришарова моделі течій рідин з полімерними додатками. При цьому показано, що тришарова модель може бути використана для розрахунку гідродинамічного опору турбулентних течій з полімерними домішками по всій області зміни чисел Рейнольдса, а двошарова – при великих числах Рейнольдса, у т.ч. і при максимальному зниженні гідродинамічного опору.
АННОТАЦИЯ
Быковская Н.В. Применение гидродинамически-активных полимерных композиций для повышения эффективности работы систем противопожарной техники и аварийной откачки воды. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 21.06.01 – Экологическая безопасность. – Донецкий национальный университет, Донецк, 2004.
Диссертация посвящена разработке научных основ приготовления и применения гидродинамически-активных полимерных композиций для увеличения пропускной способности систем аварийной откачки воды, повышения эффективности работы систем водного пожаротушения, а также созданию математических моделей эффекта снижение гидродинамического сопротивления трения с помощью добавок высокомолекулярных полимеров.
Введение в турбулентный поток воды (5-50) г/м3 полиэтиленоксида (ПЭО) или полиакриламида (ПАА) с молекулярной массой (2,5-6,0) 106 позволяет существенно (на 50-80 %) снизить гидродинамическое сопротивление трения в трубах промышленных диаметров (50-400) мм. При этом появляется возможность повысить эффективность работы гидравлических систем по ряду показателей: увеличить расход подаваемой жидкости, снизить потребляемую перекачивающими насосами мощность, увеличить длину трубопровода, или использовать трубы меньшего диаметра.
Кроме этого добавки, уменьшающие турбулентное трение, повышают компактность и увеличивают дальнобойность струй, сформированных в насадках и стволах.
В диссертационной работе приведены результаты экспериментальных исследований по обоснованию состава, разработке технологических процессов приготовления жидких (ЖВПК) и твердых (ТВПК) полимерных композиций, исследованию физико-химических свойств и гидродинамической эффективности их растворов. Показано, что применение таких полимерных композиций позволяет за малые промежутки времени приготовить растворы в широком диапазоне концентраций ПЭО и ПАА с сохранением их первоначальной молекулярной массы.
Проведены промышленные испытания ЖВПК, которая содержит 5 масс. % порошкообразного ПЭО (молекулярная масса 4,8·106 ) и 95 масс. % жидкого связующего, на участке шахтного противопожарного трубопровода общей длиной 710 м. Показано, что введение микродобавок ЖВПК позволило снизить гидравлические потери в трубопроводе в среднем на 60%. Такое снижение гидродинамического сопротивления обеспечивает увеличение расхода воды по трубопроводу в 1,58 раза.
Проведены полигонных испытания брикетов из ТВПК на пожарном автомобиле АЦ-40. Показано, что в рукавной линии длиной 260 м и с внутренним диаметром 51 мм за счет установки проточной кассеты с ТВПК расход воды увеличился на 39%, а дальнобойность струи, сформированной в стволе с диаметром насадки 13 мм – на 28% (по сравнению с чистой водой).
Исследовано влияние микродобавок высокомолекулярных ПЭО и ПАА на огнетушащие свойства воды, водных растворов натриевых солей вторичных алкилсульфатов и фтор-ПАВ “Кубоксалим”, которые используются в пожаротушении как смачиватели. Установлено, что введение высокомолекулярных полимеров значительно улучшает огнетушащие свойства воды и водных растворов смачивателей.
Установлено, что в трубопроводах, которые имеют большую длину L/d≥3000 (здесь L ,d –длина и диаметр трубопровода соответственно), применение ЖВПК и ТВПК позволяют не только снизить гидравлические потери и увеличить дальнобойность струй, но и улучшить огнетушащие свойства воды и воды с добавками ПАВ, которые улучшают смачиваемость горящего материала.
В рамках структурного подхода с использованием коэффициента анизотропии динамической вязкости, построена полуэмпирическая теория снижения турбулентного трения жидкостей добавками полимеров, которая позволяет рассчитать коэффициент гидродинамического сопротивления в турбулентных потоках полимерных растворов, в том числе и при максимальном снижении сопротивления.
Для получения более простых соотношений в прикладных расчетах построены осредненные двух- и трехслойные модели течения жидкостей с полимерными добавками. При этом показано, что трехслойная модель может быть использована для расчета гидродинамического сопротивления турбулентных течений с полимерными добавками по всей области изменения чисел Рейнольдса, а двухслойная – при больших числах Рейнольдса, в том числе и при максимальном (предельном) снижении гидродинамического сопротивления.
ABSTRACT
Bykovskaya N.V. Using hydrodynamically - active polymer compositions for raising efficiency of fire-extinguishing systems and emergency pumping out of water. –Manuscript.
Thesis leading to the academic degree of a Candidate of technical sciences in the speciality 21.06.01 –Ecological safety. –Donetsk national university, Donetsk, 2004.
Thesis is dedicated to working out the scientific base for preparation and use of hydrodynamically-active polymer compositions in order to increase carrying capacity of emergency pump-out systems, raise efficiency of water-extinguishing systems and create mathematical models of an effect of reducing hydrodynamically friction resistance using additions of high-molecular polymers.
Results of experimental research dedicated to substantiation of compositions, working out of technological processes for preparing liquid (LPC) and solid (SPC) polymer compositions, studying physical and chemical properties and hydrodynamic efficiency of their solutions are described in the thesis.
Industrial test of LPC in the section of a fire-proof pipeline is carried out. It is shown that introduction of LPC micro-additives has made it possible to diminish hydrodynamic losses in the pipeline on 60%. The ground test of SPC briquets in the fire-fighting vehicle AC-40 is carried out. It is shown that installing running cassette with LPC inside the fire-hose increases fire-fighting fluid consumption on 39% while the range of a jet accumulated in the pipe with a 13-mm nozzle diameter is increased on 28% (if compared with usual water).
It is studied how micro-additives of high-molecular PEO and PAA influence fire-fighting properties of clean water and water solutions of natrium salts of secondary alkyd sulphates and fluorinated SAA “Kuboxalim” used in fire-fighting as watering agents. It is concluded that introducing PEO and PAA noticeably improves fire-fighting properties of water and water solutions of watering agents.
Based on the structural approach and anisotropic factor of dynamic viscosity, semi-empirical theory on reducing turbulent liquid friction by polymer additives is elaborated which enables to calculate speed profile and hydraulic resistance coefficient in turbulent flows of solutions including the cases when resistance is maximally reduced.
For obtaining simpler correlations in exemplary calculations, two- and three-layer models of liquid flows with polymer additives were constructed. At the same time, it is shown that for calculating hydrodynamic resistance of turbulent flows with polymer additives in the whole domain of variations of Reynolds numbers the three-layer model can be used, while the two-layer one is used when Reynolds numbers are great and when hydrodynamic resistance is extremely reduced.