Застосування гідродинамічно-активних полімерних композицій для підвищення ефективності роботи систем протипожежної техніки й аварійної відкачки води

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_*/u_p)² = 8 [u_*/(u_p¹ + u_p¹¹ + u_p¹¹¹)]².

Тут u_p¹, u_p¹¹, u_p¹¹¹ - 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.

Представлені також результати розрахунків коефіцієнту л, 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 л від Re, з виходом кривих на асимптоту Вірка 1/= 9,51lg(Re) - 19,06, що описує граничне (максимально можливе) зниження опору.

Наведені дані результатів розрахунку (1ч6) 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.

З наведених даних видно добрий збіг результатів розрахунку (криві 2,3,4) з експериментальними даними (криві 2', 3', 4') до деякого числа Рейнольдса Re_min, при якому величина л досягає свого мінімального значення. Збільшення коефіцієнта л в області чисел Рейнольдса Re> Re_min пов'язано з деструкцією полімерних молекул і зниженням їх ефективності. При цьому варто помітити, що залежність л= 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:

Ступин А.Б., Быковская Н.В. Анизотропновязкостные модели эффекта снижения гидродинамического сопротивления // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 1996. - Вып. 26.- С. 135-141.

Ступин А.Б., Быковская Н.В. Расчет турбулентного сопротивления растворов полимеров в трубах // Теоретическая и прикладная механика. - Харьков: Основа, 1998.- Вып.28.- С. 137-142.

Биковська Н.В. Вплив деструкції полімерів на зниження гідродинамічного опору // Вісник Донецького університету. Серія А: Природничі науки. - 1998.- № 1.- С. 54-56.

. Применение гидродинамически активных добавок полимеров и поверхностно-активных веществ в энергосберегающих технологиях / А.Б. Ступин, П.В. Асланов, А.П. Симоненко., Н.В. Быковская., С.А. Фоменко // Прикладная гидромеханика. - 2001.- Т.3(75). - С. 74-82.

Ступин А.Б., Симоненко А.П., Быковская Н.В. Применение гидродинамически-активных полимерных композиций для повышения эффективности работы противопожарной техники //Вісник Донецького університету. Серія А: Природничі науки. - 2001. - №1. - С. 265-271.

Ступин А.Б., Симоненко А.П., Быковская Н.В. Повышение эффективности работы систем аварийного водоотлива и канализации // Вісник Донецького університету. Серія А. Природничі науки. - 2003. - №2. - С. 276-282.

за матеріалами конференцій та семінарів:

Ступин А.Б., Симоненко А.П., Быковская Н.В. Применение твердых водорастворимых полимерных композиций для повышения эффективности пожаротушения //Материалы вузовской научной конференции профессорско-преподавательского состава по итогам научно - исследовательской работы. Математика, физика, экология.- Донецк: ДонНУ, 1997.- С.177-178.

Повышение эффективности работы пожаротушащего оборудования путем применения микродобавок высокомолекулярных полимеров / А.Б. Ступин, А.П. Симоненко., Н.В. Быковская, Б.С. Любарский, А.Ф. Перцев // Министерство угольной промышленности Украины. Труды научно-технической конференции “Пути развития горноспасательного дела”, - Донецк, 1997. - С. 10-14.

Ступин А.Б., Симоненко А.П., Быковская Н.В. Повышение эффективности пожаротушения путем применения твердых водорастворимых полимерных композиций //Сборник трудов П республиканской конференции “Гидроаэромеханика в инженерной практике”, -Киев- Черкассы, 1997.- С. 60-61.

The application of hydrodynamic-active additives of polymers and surfactant substances in energy-saving technology/ А. Stupin, А. Simonenko, Р. Aslanov, N. Bykovskaya // Proceedings of the 11^th European Drag Reduction Working Meeting. - Prague, Czech Republic, 1999. - P. 46-47.

Быковская Н.В. Повышение эффективности работы системы водяного пожаротушения микродобавками полимеров и ПАВ // Праці Міжнародного семінару ЮНЕСКО “ Базові науки та вода”. - Донецьк: ДонНУ. - 2003. - С.130-132.

. Снижение турбулентного трения жидкостей микродобавками высокомолекулярных полимеров / А.Б. Ступин, А.П. Симоненко, А.П. Асланов, Н.В. Быковская, А.А. Кравченко // Праці Міжнародного семінару ЮНЕСКО “Мікродомішки у воді”. - Київ: ІКХХВ НАН України, 2003. - С. 69-71.

Ступин А.Б., Симоненко А.П., Быковская Н.В. Применение гидродинамически-активных полимерных композиций в пожаротушении // Труды научной конференции ДонНУ по итогам научно-исследовательской работы за период 1999-2000 г.г. Секция физических и компьютерных наук. - Донецк: ДонНУ, 2001. - С. 138-140.

в інших виданнях:

Bykovskaya N.V. and Stuріn A.B/ Anisotropoviscous models of the phenomenon of reduction of hydrodynamic resistance // Journal of mathematical sciences. A Translation of Selected Russian- Language Serial Publication in Mathematics/ - Consultants Bureau, New York.- 1997. .-No 6 - Vol 86.

Ступин А., Симоненко А., Быковская Н. Применение гидродинамически активных полимерных композиций в пожаротушении// Бюлетень пожежної безпеки (науково-технічні проблеми та рішення). - Київ: НВП ДП “Спецпожежсервіс”. - 2001, -№2(7). - С. 4-5

Ступин А., Симоненко А., Быковская Н. Огнетушащие свойства растворов гидродинамически активных полимерных композиций. // Бюлетень пожежної безпеки (науково-технічні проблеми та рішення). - Київ: НВП ДП “Спецпожежсервіс”. - 2001, -№3(8). - С. 16-18.

Размещено на Allbest.ru