Способ формирования газовоздушной завесы для защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ

 

Способ используют как средство активной коллективной защиты органов дыхания людей от ядовитых или отравляющих веществ. Способ формирования газовоздушной завесы для защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ заключается в образовании приземной плоской свободноконвективной турбулентной направленной вверх газовоздушной струи путем нагрева приземного слоя воздуха линейным источником теплоты, размещенным на поверхности почвы поперек содержащего ядовитые или отравляющие вещества набегающего потока воздуха. Способ отличается повышенной эффективностью защиты. 2 ил.

Изобретение относится к средствам активной коллективной защиты органов дыхания людей от ядовитых или отравляющих веществ.

В случае аварии на химических производствах, использующих сильнодействующие или ядовитые вещества, или аварий при их транспортировке в окружающую среду выливается или выбрасывается значительное количество таких веществ. Образующееся облако паров распространяется в атмосфере на большие расстояния, создавая зону заражения с концентрацией ядовитых веществ в приземном слое атмосферы, опасной для людей. Аналогичная ситуация может сложиться при авариях на объектах хранения или уничтожения химических отравляющих веществ.

Известен способ активной коллективной защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ, заключающийся в уменьшении 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, расположенной между источником заражения ядовитыми или отравляющими веществами и селитебной зоной и имеющей в плане форму дуги с центром дуги в источнике заражения [1]. Защитная газовоздушная завеса вызывает за счет сил вязкого трения подъем приземной части движущегося по ветру от источника заражения облака ядовитых или отравляющих веществ на высоту, равную высоте завесы. Более высокие части облака поднимаются на еще большую высоту. После подъема облака завесой оно не опускается к поверхности почвы, а рассеивается в атмосфере. При этом концентрация ядовитых или отравляющих веществ в приземном слое по пути движения облака значительно ниже, чем без его подъема газовоздушной завесой.

Недостатком указанного способа является отсутствие установок для формирования защитной газовоздушной завесы необходимых длины и высоты.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к данному изобретению является способ формирования газовоздушной завесы путем образования плоской приземной направленной вверх газовоздушной струи с помощью установки, содержащей воздуходувную машину и соединенный с ней наземный воздухораздаточный 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.

Недостатком указанного способа является низкая эффективость защитной завесы вследствие ограниченного диапазона эксплуатационных характеристик установки, что не позволяет создать газовоздушную завесу необходимых длины и высоты.

Рассмотренный в [1] типичный пример 2 предусматривает формирование в потоке воздуха со скоростью V=3 м/с поперечной плоской направленной вертикально вверх струйной газовоздушной защитной завесы высотой Н=50 м и длиной L=100 м. Имеющиеся экспериментальные данные по высоте подъема плоской газовоздушной струи в сносящем потоке воздуха [3] показывают, что для формирования такой защитной завесы необходимо вдувать воздух вертикально вверх, например, со скоростью W=15 м/с через приземную щель длиной L=100 м и шириной в=HV/6 W=503/615=1,67 м. Для формирования одного погонного метра l=1 м такой газовоздушной завесы нужно обеспечить объемный расход воздуха G₁=lвW=11,6715=25 м³/с (90000 м³/ч). При этом площадь поперечного сечения F₁ воздухораздаточного короба в начальной его части должна быть в два раза больше площади сечения воздуховыпускающей щели, т.е. F₁=2lв=211,67=3,34 м². Для формирования защитной завесы такой же высоты Н=50 м, но длиной l=10 м установка должна обеспечить соответственно в 10 раз большие эксплуатационные характеристики: объемный расход воздуха G₁₀=250 м³/с (900000 м³/ч) при площади поперечного сечения начальной части воздухораздаточного короба F₁₀=33,4 м². При этих условиях габариты установки - площадь поперечного сечения начальной части квадратного воздухораздающего 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.

Изобретение направлено на повышение эффективности газовоздушной завесы для защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ путем обеспечения необходимых ее длины и высоты.

Это достигается тем, что газовоздушную завесу формируют способом образования приземной плоской свободноконвективной турбулентной направленной вверх газовоздушной струи путем нагрева приземного слоя воздуха линейным источником теплоты, размещенным на поверхности почвы поперек содержащего ядовитые или отравляющие вещества набегающего потока воздуха.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлен вертикальный поперечный разрез приземной плоской свободноконвективной газовоздушной струи в неподвижной атмосфере (без ветра), на фиг.2 - вертикальный поперечный разрез такой же струи при наличии ветра со скоростью V.

Позиции на чертеже обозначают: линейный источник теплоты - 1; ось струи - 2; линии тока (траектории) частиц воздуха - 3; границы струи - 4; профиль вертикальной скорости в струе - 5; профиль температуры в струе - 6.

В отсутствие ветра нагретый около линейного приземного источника теплоты 1 воздух под действием подъемной силы Архимеда поднимается вверх, образуя вертикальную струю нагретых газов. Турбулентное вязкостное взаимодействие с окружающим атмосферным воздухом обеспечивает постепенное вовлечение в струю холодного воздуха, ее расширение и уменьшение температуры по мере подъема струи [4]. Особенностью свободноконвективной струи любой формы является постоянство потока энтальпии через любое ее поперечное сечение, равного количеству выделившейся от приземного источника теплоты. Особенностью же плоского струйного течения атмосферного воздуха при обычных условиях над линейным источником теплоты является постоянство вертикальной скорости воздуха в центре струи U_m по мере подъема, которая является максимальной в струе, не меняется по ее высоте и пропорциональна линейной плотности _l тепловыделения в источнике теплоты (Q_l - количество теплоты, выделяемое в единицу времени единицей длины линейного источника, Вт/м) в степени одна треть: U_m=0,84Q^1/3_l. В этом соотношении U_m выражена в м/с, Q_l - в кВт/м. Отсюда следует, что чем больше интенсивность выделения теплоты Q_l в источнике нагрева, тем более интенсивной формируется над ним свободноконвективная струя. При этом поток импульса в начале (внизу) струи равен нулю, но затем по мере ее подъема непрерывно возрастает за счет действия подъемной силы на нагретый воздух.

При возникновении ветра со скоростью V в направлении поперек свободноконвективной плоской струи он отклоняет ее от вертикали. При увеличении скорости ветра наклон оси струи возрастает, но остается одинаковым по высоте, то есть ось струи наклоняется, но остается прямой. Так происходит до тех пор, пока при фиксированной линейной плотности тепловыделения Q_l в приземном источнике скорость ветра не превысит некоторой величины, при которой происходит разрушение свободноконвективной струи. В этом случае нагретый воздух внутри струи перемешивается с набегающим потоком воздуха, температура перемешанного потока выравнивается и весь образовавшийся однородный поток двигается преимущественно в горизонтальном направлении. Причиной подверженности свободноконвективной струи разрушению поперечным потоком (в отличие от вдуваемых в поперечный поток струй) является отсутствие у свободноконвективной струи начального потока импульса, вследствие чего такая струя оказывает слабое динамическое противодействие поперечному потоку воздуха на начальном ее участке. Выполненные исследования позволили установить следующее соотношение между скоростью ветра V и соответствующей ему критической величиной линейной плотности тепловыделения в приземном источнике теплоты

Здесь V выражено в м/с, - в МВт/м.

При наличии поперечного потока воздуха со скоростью V формирующаяся над линейным источником теплоты свободноконвективная завеса устойчива, если плотность тепловыделения в источнике больше критической (то есть ); свободноконвективная струя разрушается и защитная завеса не формируется над линейным источником теплоты, если его мощность меньше критической (то есть если ).

Пример 1. Поток воздуха со скоростью V=2 м/с переносит от источника заражения ядовитые вещества. Для защиты людей в населенном пункте, расположенном в направлении по ветру от источника заражения, между источником заражения и населенным пунктом поперек ветра оперативно развернута мобильная система активной коллективной защиты населения от ядовитых веществ способом формирования газовоздушной завесы, заключающимся в образовании приземной плоской направленной вверх газовоздушной струи путем нагрева приземного слоя воздуха размещенным на поверхности почвы линейным источником теплоты. Линейным источником теплоты является горящее жидкое топливо, налитое в горизонтальный лоток длиной L=100 м. Необходимо определить расход топлива, который нужно подавать в лоток для восполнения сгоревшего, чтобы защитная завеса была устойчивой и выполняла свое предназначение. В качестве топлива используется керосин, низшая теплота сгорания которого составляет h=43 МДж/кг.

Свободноконвективная газовоздушная струя, формируемая в результате горения керосина со свободной поверхности в лотке, расположенном поперек потока воздуха со скоростью V=2 м/с, будет устойчивой, если линейная плотность тепловыделния Q_l при горении керосина на участке лотка длиной 1 м превышает критическую величину =7,1 V³=7,12³=56,8 МВт/м. Количество теплоты, выделяющейся при горении керосина во всем лотке длиной L=100 м, должно быть Q>Q*= L=56,8100=5680 МВт (здесь Q* - критическая величина теплоты, выделившейся при горении керосина во всем лотке длиной L: Q*- L, МВт). Массовый расход керосина для восполнения сгоревшего топлива должен быть больше минимальной величины М>М*=Q*/h-5680/43=132 кг/с (здесь М - критический (минимальный) массовый расход керосина, сгорающего во всем лотке длиной L: М*=Q*/h, кг/с). Если в лоток будет подаваться керосин с меньшим расходом, то сгорать он будет, но свободноконвективная струя над горящим керосином будет разрушаться поперечным потоком воздуха со скоростью V=2 м/с, и защитная завеса не сформируется.

Пример 2. Недалеко от объекта по уничтожению химического оружия в направлении ближайшего населенного пункта смонтирована стационарная система активной защиты населения от отравляющих веществ способом формирования газовоздушной завесы, заключающимся в образовании приземной плоской направленной вверх газовоздушной струи путем нагрева приземного слоя воздуха размещенным на поверхности почвы линейным источником теплоты. Линейный источник теплоты представляет собой размещенный над поверхностью почвы трубопровод с продольными прорезями в верхней его части. В случае аварии на объекте в этот трубопровод попадается природный газ и поджигается на выходе в атмосферу. При горении природного газа в атмосферном воздухе над трубопроводом формируется плоская свободноконвективная газовоздушная завеса. Требуется определить, какой минимальный расход газа, имеющего низшую теплоту сгорания h=36 МДж/м, нужно подавать в трубопровод на каждый его погонный метр при различных скоростях ветра V для того, чтобы газовоздушная завеса не разрушалась ветром. Используя соотношение (1), рассчитаем искомую величину =/h=7,1V³/36=0,197V³. Здесь выражено в м³/с, V - в м/с. Из полученного соотношения следует, например, что при скорости ветра V=2 м/с на каждый погонный метр трубопровода должно подаваться не менее чем =0,1972³=0,1978=1,58 м³/с природного газа.

Помимо того что свободноконвективная защитная завеса поднимает облако ядовитых или отравляющих веществ на большую высоту и рассеивает эти вещества в атмосфере, в ней имеет место дополнительный эффект их уничтожения. Свободноконвективная плоская струя вся формируется из подтекающего с обеих ее сторон воздуха, который нагревается от линейного источника теплоты, причем часть потока в центре струи нагревается до достаточно высокой температуры. Попадающий в эту струю и нагреваемый в ней воздух с наветренной ее стороны содержит ядовитые или отравляющие вещества, которые также будут нагреваться в струе и при нагреве разрушаться, образуя менее токсичные соединения.

Источники информации

1. Патент РФ №2179046, А 62 В 29/00, БИ №4, 2002.

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

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

4. Мартыненко О.Г., Коровкин В.Н., Соковишин Ю.А. Теория плавучих струй и следов. -Минск: Наука и техника, 1991. -С.376-381.

Формула изобретения

Способ формирования газовоздушной завесы для защиты населения от ядовитых или отравляющих веществ, заключающийся в образовании приземной плоской свободноконвективной турбулентной направленной вверх газовоздушной струи путем нагрева приземного слоя воздуха линейным источником теплоты, размещенным на поверхности почвы поперек содержащего ядовитые или отравляющие вещества набегающего потока воздуха.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2