Разработка низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с инертными теплообменниками

В последнее время увеличивается число техногенных катастроф. Катастрофы влекут за собой потери человеческих жизней и огромный материальный ущерб. Одним из путей предотвращения и (или) сведение к минимуму последствий выше указанных бедствий является создание и совершенствование аварийных систем (АС), в том числе систем и установок аэрозольного пожаротушения, значение которых для любого военного или гражданского объекта очень велико [1,38].

Все множество типов АС объединяет один признак: они задействуются от независимых источников энергии. В большинстве случаев это баллоны сжатого (сжиженного) газа. Основным недостатком данных источников энергии является, прежде всего, низкая надежность срабатывания. Кроме этого, баллонные источники газа являются источниками повышенной опасности. Поэтому к ним предъявляются специальные требования, регламентирующие условия хранения, эксплуатации и обращения [2 — 3]. В связи с этим возникает множество отказов АС, что влечет за собой крайне тяжелые последствия [4 — 8].

Использование твердотопливных газогенераторов (ТТГГ), в качестве источника энергии, является наиболее перспективным способом создания принципиально новых средств пожаротушения, аварийного спасения и защиты различных технических объектов.

Газогенераторами называются агрегаты, в которых за счёт сгорания или разложения (термического, каталитического и др.) твердого топлива или его компонентов вырабатывается горячий газ (Т = 473 — 1123 К), служащий рабочим телом для различных типов приводов. Основным достоинством газогенераторов является их высокая удельная мощность (уступают только ядерным источникам) и способность генерировать одновременно несколько типов энергии (тепловую, потенциальную и кинетическую).

ТТГГ нашли широкое применение в ракетно-космической технике: газогенератор двигательной установки боевой ступени, газогенератор рабочего тела для вдува в сопло двигателя, газогенератор-воспламенитель, газогенератор управления по крену, стартовый газогенератор и др.

Их главные узлы во многом сходны с главными узлами ракетных двигателей, однако рабочие процессы в газогенераторах имеют особенности, которые необходимо учитывать при их проектировании и отработке [9]. От других типов источников энергии ТТГГ отличает: высокая надежность (Р > 0,998) — высокие энергетические характеристики и производительность. Один литр газогенерирующего материала способен генерировать до 1500 литров газавозможность генерирования практически любых по составу газов, с любым законом изменения расхода, давления и температурыавтономность (возможность работы без внешних источников электропитания и при отсутствии в помещении обслуживающего персонала) — простота конструкции, при которой не требуется запорно-пусковых устройствбольшой срок службы без выполнения регламентных работ (ТТГГ не требует регламентных работ в течение 10 лет) — широкий температурный диапазон эксплуатации ± 50° Стемпература хранения ± 60° С и др.

В большинстве случаев к.п.д. твердотопливных газогенераторов оказывается достаточно высоким, и достигает максимума при использовании высокотемпературных газов. Однако указанное достоинство газогенераторов является в то же время существенным недостатком и значительно усложняет их проектирование. Так повышенная температура продуктов сгорания в генераторах огнетушащего аэрозоля превращает их из средств пожаротушения в источник зажигания горючих материалов [1,6, 10].

Существует большое количество научных публикаций и патентов, посвященных созданию и исследованию газогенераторов и вспомогательных устройств (охладители горячих газов) [11 — 17,45 — 51 и др.]. Краткие сведения о газогенераторах имеются, в том числе и в руководствах по основам проектирования ракетных двигателей [18 — 22 и др.].

В последнее время научные разработки в области химии твердых топ-лив позволили отечественным производителям создать газогенерирующие составы и на их основе низкотемпературные газогенераторы НТГГ с уникальными свойствами:

— источники инертных газов СОг и N-& источники холодных и чистых продуктах сгорания.

На базе НТГГ стало возможным создание принципиально новых АС. Например, систем с силовыми пневмоцилиндрами (тормозные системы для автомобильного и железнодорожного транспорта, пневмо-газоприводы для шаровых кранов магистральных газопродуктопроводов и т. д.), систем ингибирования газового взрыва или тушения пожаров на взрывоопасных производствах путем быстрого заполнения помещения инертным газом, по-жаротушащим аэрозолем или порошком [1].

На основе НТГГ ведется разработка водоаэрозольных импульсных средств тушения пожаров. В изделиях этого типа НТГГ обеспечивает давление, при котором реализуется необходимая для проникновения в очаг пожара кинетическая энергия и фракционный состав капель воды. Использование НТГГ для этой цели позволяет значительно повысить эффективность и снизить стоимость существующих водоаэрозольных импульсных средств пожаротушения [23 — 25].

Основные сферы применения АС с низкотемпературными газогенераторами показаны на рис. 1, [1].

Особое место в ряду аварийных систем занимают генераторы огнету-шащих аэрозолей (ГОА) и системы / установки аэрозольного пожаротушения (САП/УАП) на их основе, получающие в России и странах ближнего зарубежья широкое распространение.

Аварийные системы.

Источники механической энергии Источники холодного газа для заполнения объема.

Привод для вскрытия фюзеляжа самолета Системы наддува эластичных оболочек.

I. .

Газо-роторный стартер для ДВС Системы *наддува спасательных средств и понтонов.

Аварийные приводы для нефте-газопроводов Системы наддува подушек безопасности автомобилей.

Поршневой газопривод для кранов магистральных газопроводов Системы, генерирующие газы со специальными свойствами.

Роторный газопривод для задвижек нефтепровода Генераторы газов: СОг, N2, Ог.

Генераторы огнету-шащих аэрозолей.

Рис. 1. Основные сферы применения АС с низкотемпературными газогенераторами.

Принцип действия ГОА следующий: при сгорании аэрозолеобразую-щего состава (АОС) при температуре 540 — 1700° К [26 — 29] и давлении 0,12 — 0,2 МПа образуются продукты сгорания, состоящие из инертных газов (СОг, N2) и мелкодисперсных частиц — солей щелочноземельных металлов размером 0,5 — 2,0 мкм. Аэрозоль за короткое время распространяется на значительное расстояние, после чего мелкодисперсные частицы и инертные газы создают среду, не поддерживающую горение.

Теоретические основы аэрозольного пожаротушения по существу были разработаны советской пороховой наукой в 1934 — 1936 годах при исследованиях в области теории гашения дульного пламени, проводимых Г. К. Клименко [25].

Практическую реализацию положений этой теории в целях пожаротушения в 1990 году начал ФЦДТ «Союз», несколько позднее эти работы были развернуты в НПО им. С. М. Кирова, НИИПХ, ВНИИПО, НПГ «Гранит-Саламандра», ОКБ «Темп», ИВЦ «Техномаш» и другими научными структурами СССР, позднее России.

Основными преимуществами современных аэрозольных систем по отношению к традиционным средствам тушения является: высокая огнетушащая способность (устраняют пожар за 5 — 8 секунд): низкая стоимость и эксплуатационные затратыаэрозоль не содержит озоноразрушающих элементов [30, 31] и др.

Если высокая огнетушащая способность и надежность УАП достигается сравнительно просто на базе конверсионных технологий, то безопасность (по отношению к людям, оборудованию и материальным ценностям) достигается крайне сложно [32 — 35]. При горении АОС за соплом генератора образуется высокотемпературная зона (в некоторых случаях возникает форс пламени). Ее протяженность существенно зависит от количества и рецептуры состава АОС, а так же варианта конструктивного исполнения генератора, в частности, наличия охладителя или теплопоглощающей насадки. Как правило, температура продуктов сгорания в выходном сечении аэрозольных генераторов колеблется от 573 до 1273 К (прил. 1). Распределение температуры по длине струи и тепловыделение серийных ГОА показано на рис. 2, 3.

В табл. 1 приведены характеристики эффективности работы охладителей некоторых ГОА, предназначенных для защиты помещений больших объемов.

Можно выделить три наиболее часто встречающихся способа понижения температуры ПС: 1 — организация контакта газа с сублимирующим материалом (снижает температуру до 800 К, при удовлетворительной чистоте ПС) — 2 — применение эжекционной насадки (уменьшает температуру до 500 — 700 К, но при этом идет дожигание горючего в объеме, что представляет опасность для человека и технологического оборудования) — 3 — исполъзование инертных теплообменников (позволяет получить температуру менее 500 К, однако конструкции газогенераторов имеют большие габариты и массу).

Одним из критериев оценки эффективности работы охладителя является отношение его теплопоглощательной способности (т. е. изменения энтальпии) к массе АН/т. Наибольшим показателем АН/т (109,09 кДж/кг) обладает генератор ПУРГА — П — 5. Высокий показатель АН/т конструкции достигается в основном за счет небольшой ее массы. Тем не менее, выходная температура в ПУРГА-П-5 остается достаточно высокой (А5ЪК).

Более низкой температурой ПС обладают генераторы семейства АГАТ (393К), в качестве охладителя в которых используется инертные трубчатые теплообменники [6]. Низкий показатель АН/т (25,89 кДж/кг) говорит о малой степени интенсивности процессов теплообмена, большой материалоемкости теплообменника, и как следствие, его большой стоимости. Кроме того, большая масса конструкции накладывает ограничения на возможность ее использования в авиационной и ракетно-космической технике.

Поэтому задача снижения температуры ПС и интенсификации процессов теплообмена в аэрозольных генераторах остается актуальной.

Таблица. 1.

Оценка эффективности работы охладителей современных газогенераторов.

Марка Масса Масса Тип Защищ. Темп. Отн. изм. энгазогенераАОС, охл., охл. объем, ПС на тальпии к тора кг кг мъ вых., К массе охл., кДж/кг.

ПУРГА-П-5 6,3 13,7 1,2,3 50 453 109,09.

АГАТ-2 9 61 1,5 180 393 25,89.

АСТ-6750 6,75 14,25 1,3,4 125 423 52,15.

АГС-8/2 6,7 11,3 1,2,3,4 124 673 34,56.

700 650 600 550 М.

W 500 С Н.

450 400 350 300.

-¦-АГАТ-2А -¦-АГС-2 -Л-СОТ-2М -*-АГС-3/СОТ-3 -*-АГС-5/СОТ-5 -•- АГС-6/СОТ-б —1—АГС-7 —АГС-8 —АГС-11.

Л ll.

Х>4.

1−4 йгЛ.

3,4 1 1 0.

0,5.

1,5 z, м.

2,5.

Рис. 2. Температура аэрозоля по длине струи Конструктивные решения по снижению температуры ПС: 1 — сублимационные материалы- 2 — эжекционная насадка- 3 — сопловые отверстия малого диаметра- 4 — насадка с гранулами или стружкой- 5 — инертный теплообменник а.

5000 у & х? / / о.

Рис. 3. Общее тепловыделение аэрозольных генераторов.

Целью диссертационной работы является разработка низкотемпературных твердотопливных газогенераторов с инертными теплообменниками, обеспечивающих заданные температурно-расходные характеристики продуктов сгорания.

Задачи исследования.

1. Научное обоснование принципиальной схемы НТГГ с инертным теплообменником. Адаптация существующих математических моделей для описания процессов нестационарного теплообмена при движении продуктов сгорания в каналах сложной формы. Разработка соответствующего программного обеспечения.

2. Комплексное исследование влияния режимных параметров инертного теплообменника и объемно-массовых характеристик его конструкции на основные выходные характеристики НТГГ.

3. Разработка рекомендаций для проектирования инертных теплообменников НТГГ, снижающих энтальпию ПС на 80% и более.

4. Исследование влияния температурно-расходных характеристик аэрозольных НТГГ на термодинамические параметры среды в защищаемых помещениях.

Методика исследования.

Распределение температур при течении ПС в каналах сложной формы и выходные характеристики НТГГ получены в результате решения нестационарной задачи сопряженного теплообмена методом конечных разностей в системе Maple. При определенных условиях задача сопряженного теплообмена решена аналитически, с помощью преобразований Фурье и Лапласа. Экспериментальные исследования выходных характеристик НТГГ проводились в лаборатории кафедры РКТиЭУ ПГТУ.

Научная новизна.

1. Решена задача сопряженного нестационарного теплообмена с адаптированными для элементов конструкций НТГГ начальными и граничными условиями.

2.0пределена связь между процессами теплообмена в каналах сложной формы и выходными характеристиками НТГГ.

3. Изучено влияние выходных характеристик НТГГ на термодинамические параметры воздушно-аэрозольной смеси в защищаемых помещениях после срабатывания установок аэрозольного пожаротушения.

Практическая значимость.

1. Разработаны методики комплексного проектирования инертных теплообменников НТГГ, представленные в виде алгоритмов, математических моделей, программного обеспечения и номограмм, позволяющие подобрать типоразмер конструкций с заданными входными и выходными характеристиками.

2. Полученные теоретические результаты исследования рабочих процессов в инертных теплообменниках позволяют дать рекомендации для применения НТГГ в высокоэффективных и безопасных установках аэрозольного пожаротушения и в других аварийно-спасательных системах, таких как: системы генерирующие газы со специальными свойствамисистемы надува спасательных средств и понтоновсистемы аварийного торможения и расторма-живания в автотранспортесистемы катапультирования в авиации и др.

На защиту автором выносится:

1. Классификация конструкций НТГГ по способу снятия тепла.

2. Математическая модель процессов нестационарного теплообмена с учетом адаптированных граничных и начальных условий к каналам сложной формы инертных теплообменников НТГГ.

3. Основные результаты математического моделирования рабочих процессов в инертных теплообменниках, их влияние на выходные характеристики НТГГ и рекомендации для проектирования.

4. Результаты исследования влияния температурно-расходных характеристик НТГГ на термодинамические параметры воздушно-аэрозольной среды в защищаемых помещениях.

Достоверность результатов.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждается:

1. Использованием полуэмпирических зависимостей, термодинамических и теплофизических величин, апробированных и подтверждённых практикой.

2. Удовлетворительным согласованием результатов моделирования и проведённых экспериментов на серийных изделиях «АГАТ» и «ОПАН».

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе 3 — в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК.

Реализация работы.

Разработанные методики, алгоритмы, программы и полученные в результате исследований расчётные данные использованы: в конструкторских разработках ОКБ «Темп», ИВЦ «Техномаш" — в учебном процессе кафедры ТКА ПермГТУ.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы докладывались на:

— VI, VII, VIII, IX Всероссийских научно-технических конференциях «Аэрокосмическая техника и высокие технологии», Пермский государственный технический университет, г. Пермь: 2002, 2004, 2006, 2008 г.

Всероссийской молодежной научной конференции с международным участием «VIII Королёвские чтения», Самарский государственный аэрокосмический университет им. С. П. Королева, г. Самара, 2005 г.

— Национальной конференции по теплоэнергетике «НКТЭ — 2006», г. Казань, 2006 г.

Международной школе-конференции молодых ученых, аспирантов и студентов им. П. А. Соловьева и В. Н. Кондратьева «Авиационная и ракетно-космическая техника с использованием новых технических решений», Рыбинская государственная авиационная технологическая академия им. П. А. Соловьева, г. Рыбинск, 2006 г. Международной молодежной научной конференции «XIV Туполев-ские чтения», Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева, г. Казань, 2006 г.

Объём и структура диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы и двух приложенийизложена на 149 страницах, содержит 74 рисунка, 6 таблицсписок литературных источников включает 111 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1. Показано, что одним из эффективных способов охлаждения продуктов сгорания твердого топлива является использование инертных теплообменников.

2. На основе анализа коэффициентов теплоотдачи и гидравлического сопротивления различных интенсификаторов теплообмена научно обоснована схема НТГГ с тремя вариантами инертных канальных теплообменников: трубчатым, пластинчатым и матричным.

3. Произведено комплексное исследование рабочих процессов в инертных теплообменниках НТГТ с помощью разработанных программ на языке Maple, в результате чего построены нестационарные поля температуры в стенках и по длине каналов сложной формы для различных граничных и начальных условийразработаны рекомендации для проектирования НТГТ с заданными температурно-расходными характеристиками, представленные в виде номограмм.

4. Разработаны НТГТ, теплообменники которых снижают температуру продуктов сгорания на 80% и более. Доказано, что в матрицах из решеток или турбулизаторов отношение изменения энтальпии к массе Ah/m m на 15% выше по сравнению с последовательно расположенными пластинами и на 30 — 40% выше по отношению к пучкам труб.

5. Теоретически подтверждено, что аэрозольные НТГТ с матричным теплообменником за счет низкой температуры и пожаротушащей концентрации охлажденного аэрозоля не оказывают вредного воздействия на человека, оборудование и материальные ценности. Пиковая температура в помещении не превышает 325 К.