Сайт научно-технического журнала «Инженерные системы. АВОК Северо-Запад»

Защита проемов больших размеров. Проблемы и решения. Часть четвертая

В. Г. Булыгин, генеральный директор АО «НПО «Тепломаш»

Д. В. Голубев, главный инженер АО «НПО «Тепломаш»

Ю. Н. Марр, советник генерального директора АО «НПО «Тепломаш»

Различные аспекты защиты воздушными завесами проемов больших размеров (самолетных ангаров, авиа- и судостроительных заводов, помещений для спецтехники) обсуждались в [1–3]. Проблемы, возникающие в таких случаях, не имеют простых решений, а, главное, предлагаемые решения зачастую носят спорный характер. В данной статье предпринята попытка снизить градус дискуссионности, опираясь на современные технологические возможности в решениях существующих проблем.

1. Главная сложность в организации защиты больших проемов состоит в неразрывной связи двух обстоятельств: непомерно больших тепловых затрат, исчисляемых мегаваттами (часто десятками мегаватт) и крайне редким и коротким открыванием ворот (один-два раза в сутки по 20 минут). Это приводит к чудовищным пиковым нагрузкам на энергоснабжение в период открытия ворот. Уровень энергозатрат при экстремальных зачастую условиях определяется допустимым понижением внутренней температуры величиной +5 ^оС в течение всего периода открытия ворот. При таких требованиях система частичной аэродинамической защиты (САЗ — подача воздуха системой компактных струй из глубины помещения к проему) совместно с последующим «натопом» [4] задачу не решают. Численное моделирование ситуации показало [4], что до момента включения «натопа» температура воздуха в помещении опускается ниже — 20 ^оС, температура в рабочей зоне удерживается на уровне 6–7 ^оС в течение всего периода открытых ворот.

Поэтому в [2] для удержания внутренней температуры на уровне +5 ^оС

было предложено решение, включающее следующие составляющие:

• Проем защищают мощные верхние завесы, ненагретые струи которых буквально «отсекают» затекание наружного воздуха внутрь, реализуется полная защита герметичного помещения ангара, параметр защиты q = 1.
• В связи с быстрым выхолаживанием помещения, обусловленным, во-первых, теплопотерями струй, контактирующих с наружным воздухом, и, во-вторых, возникающей от действия завес интенсивной рециркуляцией воздушных масс в пространстве ангара, включаются мощные водяные теплогенераторы. Их нагретые воздушные струи направлены из верхней части ангара вниз для перемешивания охлажденного потока от струй завес и повышения температуры смеси.
• Высокая тепловая мощность теплогенераторов обеспечивается интенсивной подачей нагретой воды из теплоаккумулятора, разрядка которого рассчитана на продолжительность открытия ворот, а зарядка протекает в течение длительного периода между двумя последовательными открываниями ворот, тепловая мощность зарядки при этом сопоставима с мощностью стандартного отопления ангара.

Этим обеспечивается раздельная аэродинамическая и тепловая защита проема, приносящая экономию до 50% тепловой мощности. Этим же формируется темп понижения температуры в ангаре до проектной величины +5 ^оС к моменту закрывания ворот и полной разрядки аккумулятора.

Принципиально реализуемое решение создания пиковой тепловой «атаки» в период открытых ворот имеет достаточно высокую цену. Во-первых, вся система подачи и отведения горячей воды для пиковой нагрузки как внутри ангара, так и снаружи должна быть выполнена из труб относительно большого диаметра. Во-вторых, установка вблизи ангара водяного теплоаккумулятора совместно с насосной станцией высокой производительности требует организации специального теплового пункта дополнительно к стандартному тепловому пункту для обычного теплоснабжения ангара [5]. Кроме того, для обустройства и эксплуатации баков-аккумуляторов объемом 30–50 м³ необходимо соблюдение специальных мер безопасности.

2. Этим не ограничиваются проблемы, сопряженные с предложенным решением. В действительности, несмотря на удержание температуры смеси не ниже + 5 ^оС, в помещении неизбежно появятся локальные очаги с более низкой и даже отрицательной температурой. Дело в том, что температура смеси t_см есть средняя (среднемассовая) температура втекающего от проема потока

t_см = t₂ – ‹Q_пот ›(t₂ – t₁)/0,5(λ + 1),              (1)

где ‹Q_пот › — относительные потери теплоты струями завес при их контакте с наружным воздухом; λ — коэффициент эжекции плоской струи; t₁ и t₂ — наружная и внутренняя температуры. Здесь и далее использованы расчетные формулы шиберующей защиты верхней завесой по [6]. В верхней части потока смеси температура близка к внутренней температуре помещения. В нижней части вдоль пола температура будет определяться наружной частью ядра постоянного расхода перед отделением от струи эжектированных снаружи масс. Эта температура будет порядка среднемассовой температуры отделившихся от струи и ушедших на улицу масс. Ее определение не составит труда, поскольку известен расход наружной эжекции перед отделением G_э/н = 0,5(λ – 1) G_з и тепловой поток, поступающий от ядра постоянного расхода в эжектированные массы (тепловые потери). Отсюда среднемассовая температура наружной эжекции будет

t_э/н = t₁ + ‹Q_пот ›(t₂ – t₁)/0,5(λ – 1).            (2)

Для нахождения промежуточных значений температурного профиля между средними t_э/н и t_см необходимо определить толщины слоев по среднемассовым скоростям:

• толщина слоя смеси h_см = G_см/(ρ_см v_cмВ_пр) или после преобразований

h_см/b_з = 0,5λ(λ + 1)(ρ_з/ρ_см),             (3)

• толщина слоя наружной эжекции

h_э/н/b_з = 0,5λ(λ – 1)(ρ_з/ρ_э/н).           (4)

Поскольку все толщины пропорциональны соответствующим расходам, то, опираясь на заданные t₁ и t₂ и на средние t_э/н и t_см, можно построить в координатах h-t из отрезков прямых профиль температуры, по которому найдутся приближенно высоты слоев от пола с температурами ниже t_см (слой а₁), ниже + 5 ^оС (слой а₂) и ниже нуля (слой а₃). Опуская трудоемкие вычисления, приведем основные результаты для защиты двух ангаров (см. табл. 1).

Таблица 1. Расчетные параметры защиты ангаров

Уже на первой циркуляции с открытия ворот в помещение вдоль пола затекают достаточно толстые слои воздуха с температурой ниже +5 ^оС и отрицательной температурой. Понятно, что движущиеся над ними более теплые слои значительно легче втягиваются в глобальную циркуляцию и уходят на всасывание в завесу, тогда как холодные накапливаются вдоль пола. Это до некоторой степени перечеркивает усилия по удержанию среднемассовой температуры на уровне не ниже +5 ^оС, если в процессе защиты проема не предпринимается интенсивного перемешивания втекающего потока смеси.

3. Как было сказано, при всей рациональности тепловой компенсации подачей в теплогенераторы горячей воды из аккумулятора возникают проблемы с организацией специальных тепловых пунктов и трудно устранимым накоплением холодного (ниже нуля) воздуха вдоль пола ангара.

Альтернативой такому способу компенсации могут служить газовые теплогенераторы прямого нагрева (без теплообменников) в виде автономных управляемых мобильных устройств (рис. 1). К моменту начала открытия ворот и работы завесы 1 теплогенераторы 2 по заданной программе подъезжают изнутри к воротам и располагаются в размеченных местах, не препятствуя проходу самолетов или вертолетов (возможны и другие программы движения теплогенераторов относительно самолетов). Теплогенераторы имеют вентилятор с электроприводом и соплом 4, формирующим и направляющим струю, и горелку 3, в которой сгорающий газ отдает теплоту вместе с продуктами сгорания воздушной струе. Теплогенераторы снабжены газовым баллоном 5, рассчитанным на работу в течение периода открытых ворот, и электроаккумулятором, обеспечивающим перемещение теплогенератора и привод вентилятора. После закрытия ворот теплогенераторы уезжают в помещение обслуживания, где происходит зарядка электроаккумуляторов и замена газовых баллонов.

Вентиляторы всасывают воздух подтекающей сверху защитной струи завес, имеющей температуру смеси. Сопло теплогенератора направляет нагретый до температуры t_тг воздух в сторону пола под заворачивающую в помещение струю завесы, в те места, где накапливаются слои с температурой ниже нуля и ниже температуры смеси. Таким образом осуществляется перемешивание холодных слоев воздуха с нагретыми струями и общее перемешивание смеси, оттекающей от проема, с внесением в нее теплоты компенсации. Воздушный баланс помещения сохраняется.

4. Рассмотрим сжигание газа в прямом нагреве и поступление продуктов сгорания в помещение ангара. Учитывая, что температура смеси в обоих вариантах лишь на три градуса превышает допустимую, примем за основу тепловую мощность компенсации по табл. 1 (включив сюда некоторый запас). Низшая теплота сгорания пропана 93180 кДж/м³, при этом для сжигания 1 м³ пропана требуется 23,8 м³ воздуха и образуется 25,8 м³ продуктов сгорания (в том числе 3 м³ диоксида углерода). Результаты расчета приведены в табл. 2.

Таблица 2. Результаты расчета сжигания пропана

* При температуре 15 ^оС.

Из табл. 2 видно, что плотность диоксида углерода в самом конце периода открытых ворот и процесса сжигания пропана в первом случае не превышает ПДК, а во втором превышает ПДК на 7%, что можно будет откорректировать при организации тепловой компенсации.

5. Предложение использования для тепловой компенсации газовых теплогенераторов прямого нагрева в виде автономных мобильных устройств не является фантастикой. Во-первых, оценки табл. 2 свидетельствуют о реалистичности и безопасности прямого сжигания газа в атмосфере ангара. Во-вторых, в той же табл. 2 показано, что существующие стандартные баллоны для пропана полностью удовлетворяют потребности в тепловой энергии компенсации практически на любое реальное время открытия ворот даже очень большого размера. В-третьих, современный уровень техники позволяет использовать электроаккумуляторы не только для перемещения теплогенератора, но и для обеспечения работы вентилятора в период открытых ворот. И, в-четвертых, нет проблем с программным обеспечением управления перемещением теплогенераторов по ангару и расстановкой их в обозначенных местах (достаточно вспомнить управление роем беспилотников).

Покажем возможность реализации теплогенераторов на основе стандартных осевых вентиляторов. В табл. 3 представлены варианты компоновки теплогенераторов для двух рассмотренных случаев.

Таблица 3. Параметры теплогенераторов

Среди разнообразия отечественных горелок, предназначенных преимущественно для сжигания природного газа, имеется горелка «Вихрь» фирмы ООО «Волгатерм» [7], способная в соответствующей модификации работать на любом газе с теплотой сгорания выше 9600 кДж/м³. Диапазон мощностей — от 110 кВт до 3,5 МВт.

Важным моментом в устройстве теплогенератора является его высота от пола, которая определяется минимальной высотой крыла самолета от пола (от земли). К сожалению, в габаритных характеристиках различных типов самолетов этот размер отсутствует. Косвенно можно оценить его по расстоянию от земли до двигателя под крылом, которое лежит в диапазоне 0,42–0,57 м. Исходя из этого, минимальная высота до крыла составляет около 1,5 м. Для того, чтобы самолет мог без касания крыльями проезжать над расставленными по размаху пролета теплогенераторами, их конфигурация должна иметь приплюснутую и вытянутую перпендикулярно пролету форму. Однако, как было замечено, возможны разные варианты организации перемещения теплогенераторов относительно вкатываемого или выкатываемого самолета. Поэтому размер по вертикали теплогенератора можно не связывать с расстоянием от крыла до земли. В рамках этой статьи не имеет смысла детально прорабатывать конструкцию теплогенератора. Представляется достаточным обозначить реальность составных частей проекта.

6. Таким образом, современные технологические возможности позволяют существенно упростить осуществление огромной и кратковременной пиковой тепловой нагрузки при защите больших проемов самолетных ангаров. Отпадает необходимость в сооружении специального теплового пункта с водяными теплоаккумуляторами, мощной насосной станцией, соблюдением особых мер безопасности. Исключается монтаж водяных воздухоподогревателей верхнего расположения и дорогостоящая разводка по ангару водяных труб большого диаметра, а также необходимость усложненного эксплуатационного обслуживания оборудования.

Вместе с этим относительно просто решается проблема эффективного смесительного привнесения компенсационной теплоты в воздушные потоки с реальным удержанием температуры воздуха в рабочей зоне, примыкающей к полу, на уровне не ниже + 5 ^оС.

ЛИТЕРАТУРА

1. Марр Ю. Н. Защита проемов больших размеров. Проблемы и решения // Инженерные системы. АВОК Северо-Запад. № 2, 2015.
2. Булыгин В. Г., Марр Ю. Н. Защита завесами проемов больших размеров. Проблемы и решения. Часть вторая // Инженерные системы. СПб.: АВОК Северо-Запад, 2016, № 3. С. 18–22.
3. Булыгин В. Г., Марр Ю. Н. Защита завесами проемов больших размеров. Проблемы и решения. Часть третья // Инженерные системы. СПб.: АВОК Северо-Запад, 2017, № 1. С. 16–22.
4. Гримитлин А. М., Дацюк Т. А., Крупкин Г. Я., Стронгин А. С., Шилькрот Е. О. Отопление и вентиляция производственных помещений. Издательство «АВОК. Северо-Запад». Санкт-Петербург. 2007. 400 с.
5. СП 510.1325800.2022. Свод правил. Тепловые пункты и системы внутреннего теплоснабжения.
6. Марр Ю. Н. Воздушно-тепловые завесы, расчет и проектирование завес для защиты проемов промышленных и общественных зданий. — СПб.: АО «НПО «Тепломаш», 2017. — 160 с.
7. Каталог ООО «Волгатерм». [Электронный ресурс] Режим доступа: https://volgatherm.ru/katalog/volgaterm/ (дата обращения: 21.12.2023).

Скачать PDF-версию статьи «Защита проемов больших размеров. Проблемы и решения. Часть четвертая»