пожар вред окружающий среда человек
Любой пожар представляет собой опасное социальное явление, причиняющий материальный ущерб, вред жизни и здоровью людей.
В условиях развития пожара человек может подвергнуться смертельной опасности по причинам:
Задание 1. Теоретический вопрос
Текст должен быть написан лаконичным, технически грамотным языком, на весь использованный материал должны быть даны ссылки по тексту. В конце задания должен быть приведен список использованной литературы. Общий объем ответа на теоретическое задание должен составлять не менее 5 печатных страниц.
Таблица 1.
Важно учитывать, что непосредственное термическое воздействие на живой организм при пожаре возможно только в том случае, когда человек, будучи в полном сознании, не имеет возможности защитить себя или не в состоянии принять какие-либо контрмеры, поскольку находится без сознания. Восприятие боли как предупредительного импульса термического поражения поверхности тела (например, образование пузырей) зависит от интенсивности теплового потока и времени его воздействия. Быстро горящие материалы с высокой теплотой сгорания (например, хлопок, ацетаты целлюлозы, полиакрилнитриловое волокно и т. п.) оставляют мало времени между ощущением боли (предупредительный сигнал) и повреждением поверхности тела.
Повреждения, причиняемые тепловым излучением, характеризуются следующими данными:
Нагрев до 60 °С. Эритема (покраснение кожи).
Нагрев до 70 °С. Везикация (образование пузырей).
Нагрев до 100 °С. Деструкция кожи с частичным сохранением капилляров.
Нагрев свыше 100 °С. Ожог мышц.
Обнаружение таких косвенных термических воздействий означает, что организм находился на определенном расстоянии от места активного горения и подвергался воздействию вторичных его проявлений - нагреву от поглощения лучистой энергии и передачи теплоты нагретым воздухом.
Для большинства людей смерть от СО достигается при 60% концентрации карбоксигемоглобина в крови. При 0,2% СО в воздухе требуется 12-35 минут в обстановке пожара для образования 50% карбоксигемоглобина. В этих условиях человек начинает задыхаться и не в состоянии координировать свои движения и теряет сознание. При 1% СО требуется всего 2,5-7 минут, чтобы достигнуть той же концентрации карбоксигемоглобина, а при экспозиции в 5% концентрации СО требуется всего 0,5-1,5 мин. На детей монооксид углерода воздействует сильнее, нежели на взрослых. Двойной глубокий вдох 2% СО в газообразной смеси приводит к потере сознания и смерти в течение двух минут.
Количество абсорбированного в крови монооксида углерода обусловливается помимо концентрации СО следующими факторами:
Если анализ крови жертвы показывает минимальное содержание СО, приведшее к смерти, то это может свидетельствовать о длительным воздействии относительно низких концентраций газа в условиях небольшого тлеющего процесса горения. С другой стороны, если в крови обнаруживается очень высокая концентрация СО, то это указывает на более короткую экспозицию при значительно более высокой концентрации газа, выделяемого в условиях сильного пожара.
Неполное горение способствует образованию, наряду с монооксидом углерода, различных токсических и раздражающих газов. Доминирующим по опасности токсическим газом являются пары синильной кислоты, образующейся при разложении многих полимеров. Примером их являются полиуретаны, присутствующие во многих покрытиях, красках, лаках; полужесткий пенополиуретан, применимый во всяких драпировках мебели; жесткий пенополиуретан, употребляемый в качестве изоляции потолков и стен. Другие материалы, содержащие азот в их молекулярной структуре, также образуют при разложении и горении цианистый водород и диоксид азота. Эти продукты образуются из волос, шерсти, нейлона, шелка, мочевины, акрилнитрильных полимеров.
Для определения причины смерти в случае, если содержание СО в крови оказалось на низком уровне и отсутствуют другие ее причины, необходимо проанализировать кровь на присутствие цианистого водорода (НС). Его наличие в воздухе в количестве 0,01% вызывает смерть в течение нескольких десятков минут. Цианистый водород может удерживаться длительное время в обводненном остатке. Исследователь пожара, стремящийся определить по запаху наличие легко воспламеняемых жидкостей, может не почувствовать летальные концентрации НСL, которые снижают чувствительность носа к запахам.
Другие токсичные газы, как окись и закись азота, также образуются при горении азотсодержащих полимеров. Хлорсодержащие полимеры, преимущественно поливинилхлорид (РУС, ПВХ), образуют хлористый водород - очень токсичный газ, который в контакте с водой, так же как хлор, в виде соляной кислоты вызывает сильную коррозию металлических элементов.
Полимеры содержащие серу, сульфоновые полиэфиры и вулканизированный каучук - образуют диоксид серы, сероводород и карбонилсульфида. Карбонилсульфид значительно токсичнее монооксида углерода. Полистиролы, часто используемые в качестве упаковочных материалов, в световой рассеивающей арматуре и др образуют при разложении и горении мономер стирола, также являющегося токсичным продуктом.
Все полимеры и нефтепродукты при развившемся горении могут образовать альдегиды (формальдегид, акролеин), оказывающие сильное раздражающее воздействие на дыхательную систему живого организма.
Снижение концентрации кислорода в атмосфере ниже 15% (об.) затрудняет вплоть до полного прекращения газообмен в легочных альвеолах. При уменьшении содержания кислорода от 21% до 15% ослабляется мускульная деятельность (кислородное голодание). При концентрациях от 14% до 10% кислорода сохраняется еще сознание, но падает способность к ориентировке в обстановке, теряется рассудительность. Дальнейшее уменьшение концентрации от 10% до 6% кислорода приводит к коллапсу (полный упадок сил), но с помощью свежего воздуха или кислород состояние может быть предотвращено.
Термическое воздействие на человека связано с перегревом и последующими биохимическими изменениями верхних слоев кожи. Человек ощущает сильную (едва переносимую) боль, когда температура верхнего слоя кожного покрова (-0,1 мм) повышается до 45 °С. Время достижения «порога боли» т, с, связано с плотностью теплового потока q, кВт/м 2 , соотношением
т = (35/q) 1 , 33 .
При плотности теплового потока менее 1,7 кВт/м 2 боль не ощущается даже при длительном тепловом воздействии. Степень термического воздействия зависит от величины теплового потока и длительности теплового излучения. При относительно слабом термическом воздействии будет повреждаться только верхний слой кожи (эпидермис) на глубину около 1 мм (ожог I степени - покраснение кожи). Увеличение плотности теплового потока или длительности излучения приводит к воздействию на нижний слой кожи - дерму (ожог II степени - появление волдырей) и подкожный слой (ожог III степени).
Здоровые взрослые люди и подростки выживают, если ожоги II и III степени охватывают менее 20 % поверхности тела. Выживаемость пострадавших даже при интенсивной медицинской помощи резко снижается, если ожоги II и III степени составляют 50 % и более от поверхности тела.
Вероятность поражения той или иной степени при термическом воздействии определяется по формуле (2.2) с использованием пробит-функций, соответствующие формулы которых представлены в табл. 2.1.
Термическое воздействие на легковоспламеняющиеся материалы (например, вследствие пожара, ядерного взрыва и т.п.) может вызвать дальнейшее распространение аварии и переход ее в стадию каскадного развития. Согласно имеющейся статистике, распространение и развитие пожаров в производственных помещениях происходят в основном по материалам, сырью и технологическому оборудованию (42 %), а также по сгораемым строительным конструкциям (36 %). Среди последних наибольшее распространение имеют древесина и пластические материалы.
Для каждого материала существует критическое значение плотности теплового потока д кр, при котором воспламенение не происходит даже при длительным тепловом воздействии. При увеличении плотности теплового потока время до начала воспламенения материала уменьшается (см. прил. II). В общем случае зависи-
Таблица 2.1 Формулы пробит-функций Рг в зависимости от степени термического поражения
Примечание. q, Вт/м 2 ; τ, с.
мость времени воспламенения от величины плотности теплового потока имеет вид
т - А/(q - q кр) n , (2.6)
где А и п - константы для конкретного вещества (например, для древесины А = 4360, п = 1,61).
При длительности теплового воздействия 30 с и плотности теплового потока 12 кВт/м 2 воспламеняются деревянные конструкции; при 10,5 кВт/м 2 - обгорает краска на окрашенных металлических конструкциях, обугливаются деревянные конструкции; при 8,4 кВт/м 2 - вспучивается краска на металлических конструкциях, разлагаются деревянные конструкции. Плотность теплового потока 4,0 кВт/м 2 безопасна для объектов.
Особенно опасен нагрев резервуаров (емкостей) с нефтепродуктами, который может привести к взрыву сосуда. В зависимости от длительности облучения критическая плотность теплового потока для емкостей с нефтепродуктами температурой воспламенения < 235 °С значительно меняется:
Длительность
воздействия, мин.............5 10 15 20 29 > 30
Критическое значение
плотности теплового
потока q Kp , кВт/м 2 .........34,9 27,6 24,8 21,4 19,9 19,5
Опасность термического воздействия на строительные конструкции связана со значительным снижением их строительной прочности при превышении определенной температуры.
Степень устойчивости сооружения к тепловому воздействию зависит от предела огнестойкости конструкции, характеризуемого временем, по истечении которого происходит потеря несущей способности. Прочность материалов может быть охарактеризована так называемой критической температурой прогрева, которая для стальных балок, ферм и перегонов составляет 470...500°С, для металлических сварных и жестко защемленных конструкций - 300... 350 °С.
При проектировании зданий и сооружений используют железобетонные конструкции, предел огнестойкости которых значительно выше, чем у металлических. Так, предел огнестойкости железобетонных колонн сечением 20x20 см соответствует 2 ч, сечением 30x50 см - 3,5 ч.
Потеря несущей способности изгибаемых, свободно опирающихся элементов плит, балок и т.п. наступает вследствие прогрева растянутой арматуры до критической температуры 470... 500 °С. Предел огнестойкости предварительно напряженного железобетона такой же, как у конструкций с ненапряженной арматурой. Особенность напряженных конструкций - образование необратимых деформаций при их прогреве уже до 250 "С, после чего их нормальная эксплуатация невозможна.
Ниже приведены значения критической температуры прогрева некоторых строительных материалов, °С:
Полимерные материалы.................................150
Стекло............................,.................................200
Алюминий........................................................250
Сталь.................................................................500
Барическое воздействие на человека, здания и сооружения
При взрыве атомной бомбы, технологической установки, резервуара, парогазовоздушного облака, взрывчатого вещества образуется ударная волна, характеризуемая избыточным давлением ЛР ф, кПа, и импульсом фазы сжатия / + , кПа с, негативно воздействующая на человека, здания, сооружения и т.п.
Приведем общую характеристику барического воздействия взрыва на человека, кПа:
Для человека безопасно.........................................................<10
Легкое поражение (ушибы, вывихи, временная
потеря слуха, общая контузия)........................................... 20...40
Среднее поражение (контузия головного мозга, повреждение органов слуха, разрыв барабанных
перепонок, кровотечение из носа и ушей).......................40...60
Сильное поражение (сильная контузия всего организма, потеря сознания, переломы
конечностей, повреждения внутренних органов)............60... 100
Порог смертельного поражения 100
Летальный исход в 50% случаев........................................250...300
Безусловное смертельное поражение...................................> 300
Вероятность поражения той или иной степени при барическом воздействии на человека можно определить по формуле (2.2) с использованием соответствующих формул, приведенных ниже:
Степень поражения Пробит-функция
Разрыв барабанных перепонок.......Рг = -7,6 + 1,524ln∆Р ф
Контузия............................................р г = -5,74ln{4,2/(1 +∆Р ф /Р 0) + 1,3/},
где т - масса тела, кг
Летальный исход..............................Рг = -2,44ln
Примечание. ∆Р ф, Па; I + , Па с.
При оценке барического воздействия на здания и сооружения принимают четыре степени разрушений:
слабые разрушения - повреждение пли разрушение крыш, оконных и дверных проемов. Ущерб - 10... 15 % от стоимости здания;
средние разрушения - разрушения крыш, окон, перегородок, чердачных перекрытий, верхних этажей. Ущерб - 30...40 %;
сильные разрушения - разрушение несущих конструкций и перекрытий. Ущерб - 50 %. Ремонт нецелесообразен;
полное разрушение - обрушение зданий, сооружений.
Зависимость степени разрушений от величины избыточного давления на фронте ударной волны представлена в табл. 2.2.
Таблица 2.2
Избыточное давление (∆Р ф , кПа), соответствующее степени разрушения
| Объект | Разрушение | |||
| полное | сильное | среднее | слабое | |
| Здания жилые: | ||||
| кирпичные многоэтажные | 30...40 | 20...30 | 10...20 | 8...10 |
| кирпичные малоэтажные | 35...45 | 25...35 | 15...25 | 8...15 |
| деревянные | 20...30 | 12...20 | 8...12 | 6...8 |
| Здания промышленные: | ||||
| с тяжелым металлическим | 60... 100 | 50...60 | 40...50 | 20...40 |
| или железобетонным | ||||
| каркасом | ||||
| с легким металлическим | 60...80 | 40...50 | 30...40 | 20...30 |
| каркасом или бескаркасные | ||||
| Промышленные объекты: | ||||
| ТЭС | 25...40 | 20...25 | 15...20 | 10...15 |
| котельные | 35...45 | 25...35 | 15...25 | 10...15 |
| трубопроводы наземные | - | |||
| трубопроводы на эстакаде | 40-50 | 30...40 | 20-30 | - |
| трансформаторные подстанции | 40...60 | 20...40 | 10...20 | |
| ЛЭП | 120...200 | 80... 120 | 50...70 | 20...40 |
| водонапорные башни | 40...60 | 20...40 | 10...20 | |
| Резервуары: | ||||
| стальные наземные | ||||
| газгольдеры и емкости ГСМ | ||||
| и химических веществ | ||||
| частично заглубленные для | ||||
| нефтепродуктов | ||||
| подземные | ||||
| Металлические и железобе- | 250...300 | 200... 250 | 150...200 | 100...150 |
| тонные мосты | ||||
| Железнодорожные пути | ||||
| Тепловозы массой до 50 т | ||||
| Цистерны | ||||
| Вагоны цельнометаллические | ||||
| Вагоны товарные деревянные | ||||
| Автомашины грузовые |
Вероятность разрушения зданий и сооружений той или иной степени можно определить по формуле (2.2) с использованием формул пробит-функции, представленных ниже:
Разрушение Пробит-фунщия
Слабое.......................................Рг = -0,26ln[(4,6/∆Р ф ) 3 " 9 + (0,11/Г) 5,0 ]
Среднее.....................................Рг = -0,26ln
Сильное....................................Рг = -0,22ln[(40/Р ф) 7 - 4 + (0,46/ I +) 11,3 ]
Примечание. ДР Ф, кПа; / + , кПа-с.
Проходя через любой проводник, сообщает ему некоторое количество энергии. В результате этого проводник нагревается. Передача энергии происходит на молекулярном уровне, т. е., электроны взаимодействуют с атомами или ионами проводника и отдают часть своей энергии.
В результате этого, ионы и атомы проводника начинают двигаться быстрей, соответственно можно сказать, что внутренняя энергия увеличивается и переходит в тепловую энергию.
Данное явление подтверждается различными опытами, которые говорят о том, что вся работа, которую совершает ток, переходит во внутреннюю энергию проводника, она в свою очередь увеличивается. После этого уже проводник начинает отдавать её окружающим телам в виде тепла. Здесь уже в дело вступает процесс теплопередачи, но сам проводник нагревается.
Этот процесс рассчитывается по формуле: А=U·I·t
А – это работа тока, которую он совершает, протекая через проводник. Можно также высчитать количество теплоты, выделяемое при этом, ведь это значение равно работе тока. Правда, это касается, лишь неподвижных металлических проводников, однако, такие проводники встречаются чаще всего. Таким образом, количество теплоты, также будет высчитываться по той же форме: Q=U·I·t .
История открытия явления
В своё время свойства проводника, через который протекает электрический тока, изучали многие учёные. Особенно среди них были заметны англичанин Джеймс Джоуль и русский учёный Эмилий Христианович Ленц. Каждый из них проводил свои собственные опыты, а вывод они смогли сделать независимо друг от друга.
На основе своих исследований, они смогли вывести закон, который позволяет дать количественную оценку выделяемого тепла в результате воздействия электрического тока на проводник. Данный закон получил название «Закон Джоуля-Ленца». Джеймс Джоуль установил его в 1842 году, а примерно через год Эмиль Ленц пришёл к тому же выводу, при этом их исследования и проводимые опыты никак не были связаны друг с другом.
Применение свойств теплового действия тока
Исследования теплового воздействия тока и открытия закона Джоуля-Ленца позволили сделать вывод, подтолкнувший развитие электротехники и расширить возможности применения электричества. Простейшим примером применения данных свойства является простая лампочка накаливания.
Устройство её заключается в том, что в ней применяется обычная нить накаливания, сделанная из вольфрамовой проволоки. Этот металл был выбран не случайно: тугоплавкий, он имеет довольно высокое удельное сопротивление. Электрический ток проходит через эту проволоку и нагревает её, т. е. передаёт ей свою энергию.
Энергия проводника начинает переходить в тепловую энергию, а спираль разогревается до такой температуры, что начинает светиться. Главным недостатком такой конструкции, конечно, является то, что происходят большие потери энергии, ведь только небольшая часть энергии преобразуется в свет, а остальная уходит в тепло.
Для этого вводится такое понятие в техники, как КПД, показывающее эффективность работы и преобразования электрической энергии. Такие понятия как КПД и тепловое воздействие тока применяются повсеместно, так как существует огромное количество приборов основанных подобном принципе. Это в первую очередь касается нагревательных приборов: кипятильников, обогревателей, электроплит и т. д.
Как правило, в конструкциях перечисленных приборах присутствует некая металлическая спираль, которая и производит нагревание. В приборах для нагревания воды она изолирована, в них устанавливается баланс между потребляемой из сети энергией (в виде электрического тока) и тепловым обменом с окружающей средой.
В связи с этим, перед учёными стоит нелёгкая задача по снижению потерь энергии, главной целью является поиск наиболее оптимальной и эффективной схемы. В данном случае тепловое воздействие тока является даже нежелательным, так как именно оно и ведёт к потерям энергии. Самым простым вариантом является повышение напряжения при передаче энергии. В результате снижается сила тока, но это приводит к снижению безопасности линий электропередач.
Другое направление исследований – это выбор проводов, ведь от свойств проводника зависят и тепловые потери и прочие показатели. С другой стороны, различные нагревательные приборы требуют большого выделения энергии на определённом участке. Для этих целей изготавливают спирали из специальных сплавов.
Для повышения защиты и безопасности электрических цепей применяются специальные предохранители. В случае чрезмерного повышения тока сечение проводника в предохранителе не выдерживает, и он плавится, размыкая цепь, защищая, таким образом, её от токовых перегрузок.
Источники . Современное промышленное производство связано с интенсификацией технологических процессов и внедрением агрегатов большой тепловой мощности. Рост мощностей агрегатов и расширение производства приводят к значительному увеличению избыточных тепловыделений в горячих цехах.
В производственных условиях обслуживающий персонал, находясь вблизи расплавленного или нагретого металла, пламени, горячих поверхностей и т.п., подвергается воздействию тепловых излучений этих источников. Нагретые тела (до 500 о С) являются в основном источниками инфракрасного излучения. С повышением температуры в спектре излучения появляются видимые лучи. Инфракрасное излучение (ИК-излучение) – часть электромагнитного спектра с длиной волны λ = 0,78 – 1000 мкм, энергия которого при поглощении в веществе вызывает тепловой эффект.
Действие на человека. Под действием высоких температур и теплового облучения работающих происходят резкое нарушение теплового баланса в организме, биохимические сдвиги, появляются нарушения сердечнососудистой и нервной систем, усиливается потоотделение, происходит потеря нужных организму солей, нарушение зрения.
Все эти изменения могут проявиться в виде заболеваний:
- судорожная болезнь , вызванная нарушением водно-солевого баланса, характеризуется появлением резких судорог, преимущественно в конечностях;
- перегревание (тепловая гипертермия) возникает при накоплении избыточного тепла в организме; основным признаком является резкое повышение температуры тела;
- тепловой удар возникает в особо неблагоприятных условиях:
выполнение тяжелой физической работы при высокой температуре воздуха в сочетании с высокой влажностью. Тепловые удары возникают в результате проникновения коротковолнового инфракрасного излучения (до 1,5 мкм) через покровы черепа в мягкие ткани головного мозга;
- катаракта (помутнение кристалликов) – профессиональное заболевание глаз, возникающее при длительном воздействии инфракрасных лучей с λ = 0,78-1,8 мкм. К острым нарушениям органов зрения относятся также ожог, конъюнктивиты, помутнение и ожог роговицы, ожог тканей передней камеры глаза.
Кроме того, ИК-излучение воздействует на обменные процессы в миокарде, водно-электролитный баланс в организме, на состояние верхних дыхательных путей (развитие хронического ларингоринита, синуситов), не исключается мутагенный эффект теплового излучения.
Поток тепловой энергии, кроме непосредственного воздействия на работающих, нагревает пол, стены, перекрытия, оборудование, в результате чего температура воздуха внутри помещения повышается, что также ухудшает условия работы.
Нормирование теплового излучения и способы защиты от него
Нормирование параметров микроклимата воздуха рабочей зоны производственных помещений предприятий народного хозяйства осуществляется согласно ГОСТ ССБТ 12.1.005-88.
В целях профилактики неблагоприятного воздействия микроклимата должны быть использованы защитные мероприятия (например, системы местного кондиционирования воздуха; воздушное душирование; компенсация неблагоприятного воздействия одного параметра микроклимата изменением другого; спецодежда и другие средства индивидуальной защиты по ГОСТ ССБТ 12.4.045-87; помещения для отдыха и обогрева; регламентация времени работы: перерывы в работе, сокращение рабочего дня, увеличение продолжительности отпуска, уменьшение стажа работы и др.).
Одним из эффективных коллективных средств защиты от теплового излучения работающих является создание определенного термического сопротивления на пути теплового потока в виде экранов различных конструкций – прозрачных, полупрозрачных и непрозрачных. По принципу действия экраны подразделяются на теплопоглотительные, теплоотводящие и теплоотражательные.
Теплопоглотительные экраны – изделия с высоким теплосопротивлением, например огнеупорный кирпич.
Теплоотводящие экраны – сварные или литые колонны, в которых циркулирует в большинстве случаев вода. Такие экраны обеспечивают температуру на наружной поверхности 30 – 35о С. Более эффективно использовать теплоотводящие экраны с испарительным охлаждением, они сокращают расход воды в десятки раз.
К теплоотражающим относят экраны, изготовленные из материалов, хорошо отражающих тепловое излучение. Это листовой алюминий, белая жесть, полированный титан и т.п. Такие экраны отражают до 95 % длинноволнового излучения. Непрерывное смачивание экранов такого типа водой позволяет задерживать излучение почти полностью.
Если же необходимо обеспечить возможность наблюдения за ходом технологического процесса при наличии теплового облучения, то в этом случае широко применяют цепные завесы, представляющие собой наборы металлических цепей, подвешенных перед источником излучения (эффективность до 60-70 %), и прозрачные водяные завесы в виде сплошной тонкой водяной пленки. Слой воды толщиной 1 мм полностью поглощает часть спектра с λ = 3 мкм, а толщиной в 10 мм – с длиной волны λ = 1,5 мм.
Энергосбережение в котельных. Основные энергосберегающие мероприятия для промышленных котельных установок в целях уменьшения потерь теплоты с уходящими газами. Преимущества перевода паровых котлов в водогрейный режим. Определение КПЛ парового и водогрейного котлов.
Среди факторов, увеличивающих расход топлива в котельных, можно выделить: физический и моральный износ котельных установок; отсутствие или плохую работу системы автоматики; несовершенство газогорелочных устройств; несвоевременную наладку теплового режима котла; образование отложений на поверхностях нагрева; плохую теплоизоляцию; неоптимальную тепловую схему; отсутствие экономайзеров-подогревателей; неплотности газоходов.
В зависимости от типа котельной установки расход условного топлива на 1 Гкал отпущенной тепловой энергии составляет 0,159-0,180 т у.т., что соответствует КПД котла (брутто), равному 80-87 %. При работе котельных установок средней и малой мощности на газе КПД (брутто) может быть увеличен до 85-92 % .
Номинальный КПД (брутто) водогрейных котельных установок мощностью менее 10 Гкал/ч, используемых в том числе и в муниципальном секторе теплоэнергетики, при работе на газе составляет 89,8-94,0%, при работе на мазуте - 86,7-91,1 %.
Основные направления энергосбережения в котлах становятся очевидными при рассмотрении их тепловых балансов.
Анализ тепловых балансов существующих паровых и водогрейных котлов показывает, что наибольшие потери теплоты (10-25 %) происходят с уходящими дымовыми газами:
Снижению потерь с уходящими газами способствуют:
· поддержание оптимального коэффициента избытка воздуха в топке котла ат (рис. 6.10) и снижение присосов воздуха по его тракту.
· поддержание чистоты наружных и внутренних поверхностей нагрева, что позволяет увеличить коэффициент теплопередачи от дымовых газов к воде; увеличение площадей хвостовых поверхностей нагрева; поддержание в барабане парового котла номинального давления, обеспе-чивающего расчетную степень охлаждения газов в хвостовых поверхностях нагрева;
· поддержание расчетной температуры питательной воды, определяющей температуру уходящих после экономайзера дымовых газов;
· перевод котлов с твердого или жидкого топлива на природный газ и др.
Очевидно, что изменение температуры уходящих газов на 20 °С в рассматриваемых условиях приводит к изменению КПД котла на 1 % (рис. 6.11).
Особенности глубокой утилизации теплоты дымовых газов (с конденсацией содержащихся в них водяных паров) рассмотрены ниже (см. гл. 8), Ниже также представлены некоторые из энергосберегающих мероприятий, приводящих к снижению затрат энергии в источниках теплоты, связанные со схемными изменениями и режимами эксплуатации.
В ряде случаев является целесообразным перевод паровых котлов в водогрейный режим, что позволяет существенно повысить фактические КПД паровых котлов типов ДКВр, ДЕ и др. .
Работа паровых котлов на низких (около 0,1-0,3 МПа) давлениях отрицательно сказывается на устойчивости циркуляции, из-за снижения температуры насыщения и увеличения доли парообразования в экранных трубах наблюдается интенсивное образование накипи и увеличивается вероятность пережога труб. Кроме того, если в котельной установке используется чугунный водяной экономайзер , то при работе котла на давлении 0,1 - 0,3 МПа из-за низкой температуры насыщения его необходимо отключать, так как в нем может наблюдаться недопустимое парообразование. Эти и другие особенности приводят к тому, что КПД этих паровых котлов не превышает 82 %, а в некоторых случаях, когда трубы сильно загрязнены, КПД котла уменьшается до 70-75 %.
Переведенные на водогрейный режим паровые котлы в эксплуатации не уступают специализированным водогрейным котлам, а по ряду показателей и возможностям превосходят их, например в отношении:
· доступности для внутреннего осмотра, контроля, ремонта, улавливания шлама и очистки, благодаря наличию барабанов;
· возможности более гибкого регулирования теплопроизводительности в допустимых пределах (качественного по температуре сетевой воды и количественного по ее расходу);
· повышения КПД при переводе на водогрейный режим на 1,5 -12,0 %.
Перевод на водогрейный режим требует внесения изменений в конструкцию котла.
Перевод котлов с твердого или жидкого топлива на природный газ приводит к снижению избытка воздуха в топке и уменьшению наружного загрязнения теплопередающих поверхностей. Снижаются затраты энергии на подготовку топлива. При переводе на газ котлов, работающих на мазуте, отпадает необходимость в затратах теплоты на распыление последнего с помощью паровых форсунок. При замене твердого топлива на газ удается избежать потерь с механическим недожогом и с теплотой шлаков.
Данное мероприятие применяется, если это целесообразно по экономическим и экологическим показателям.
При эксплуатации энергосбережению способствует рациональное распределение нагрузки между несколькими одновременно работающими котлами.
В состав котельной установки, как правило, входят несколько котлов, которые могут различаться по своим характеристикам, сроку службы и физическому состоянию.
С падением нагрузки ниже номинальной уменьшается температура уходящих газов, а значит, снижаются потери теплоты с уходящими газами. При малых нагрузках уменьшаются скорости истечения газа и воздуха, ухудшается их смешение и могут возникнуть потери с химической неполнотой сгорания. Абсолютные потери теплоты через обмуровку остаются практически неизменными, а относительные (отнесенные на единицу расхода топлива), естественно, возрастают. Это приводит к тому, что существуют режимы, которым соответствует максимальное значение КПД.
Поскольку зависимости КПД котлов, расходов условного топлива от производительности индивидуальны для различных типов, конструкций котлов, сроков их эксплуатации, то рациональным распределением нагрузки между двумя и более котлами можно влиять на суммарные энергозатраты котельной .
Для водогрейной котельной в качестве нагрузки принимают часовую теплопроизводительность Q, а для паровой - часовую выработку пара D.
Хорошо известно, что изменение температуры может оказывать весьма существенное влияние на механические свойства материалов. Поэтому в задачах термомеханики при наличии температурных градиентов необходим учет температурной неоднородности. В некоторых случаях даже перепад в несколько градусов приводит к значительному изменению механических характеристик (мерзлые грунты, некоторые полимеры). В то же время существуют материалы, в которых заметное изменение свойств происходит при наличии градиентов температуры в несколько сотен градусов (горные породы, металлы и пр.). Некоторые экспериментальные данные по влиянию температуры на механические свойства металлов и сплавов приведены в работе . Ниже рассматриваются примеры температурных зависимостей механических характеристик металлов, горных пород и бетонов, а также способы их аппроксимации.
Металлы и сплавы. На рис. 1.2 приведены зависимости модуля упругости, предела текучести и предела прочности алюминиевого сплава от температуры. 11а рис. 1.3 приведена зависимость предела прочности от температуры для различных конструкционных сталей.
Рис. 1.2. Влияние температуры на модуль упругости Е, предел текучести ст г и предел прочности а в алюминиевого сплава 2024-ТЗ
Рис. 1.3.
Графики, приведенные на рис. 1.2 и 1.3, показывают, что в интервале между комнатной температурой и температурой приблизительно 200-300°С все механические характеристики меняются относительно слабо, причем иногда предел прочности в этом интервале увеличивается. Примерно с 200-300°С наблюдается значительное уменьшение как прочностных, так и деформационных свойств металлов. Понижение температуры для многих сталей приводит к увеличению предела текучести и предела прочности. При понижении температуры примерно до -200°С предел прочности сталей возрастает почти в два раза, а предел текучести увеличивается более чем в три раза, приближаясь к пределу прочности. Во многих случаях при низких температурах наблюдается хрупкое разрушение.
Грунты и горные породы. Многочисленные исследования были проведены по изучению влияния температуры на механические свойства грунтов и горных пород.
Изучение характера изменения модуля Юнга в грунтах (глины) в случае одноосного напряженного состояния при различных температурах [ 211 показало, что с увеличением температуры наблюдается снижение этой основной деформационной характеристики грунтов. Результаты соответствующих экспериментов приведены на рис. 1.4.
Аналогичные исследования проводились и для горных пород, но уже для случая трехосного сжатия и при значительно более высоких температурах, так как при сравнительно небольших температурах горные породы (например, базальт) практически не изменяют своих упругих свойств. Соответствующие зависимости показаны на рис. 1.5. Здесь, как и в предыдущем случае, при повышении температуры происходит весьма существенное снижение величины модуля упругости. Например, в граните модуль Юнга при комнатной температуре почти в три раза больше, чем при температуре 800°С. Для базальта это различие еще больше. Результаты полученных экспериментальных исследований можно с достаточной точностью аппроксимировать с помощью простой зависимости
где Е 0 - модуль упругости ненагретого материала; 5 - эмпирический коэффициент. На рис. 1.4 и 1.5 (для гранита) приведены аппроксимирующие зависимости (1.22). Можно заметить, что совпадение с экспериментальными данными достаточно хорошее. Для сверхтвердых пород тина базальта соотношение (1.22) может быть несколько уточнено:
Рис. 1.4.
Рис. 1.5.
Поскольку характер температурных зависимостей модуля упругости грунтов и горных пород во многом подобен зависимостям механических характеристик металлов и сплавов, показанным на рис. 1.2, 1.3, то соотношения типа (1.22) и (1.23) могут также использоваться для аппроксимации последних.
Бетон. Сведения о механических и теплофизических характеристиках бетонов различных составов, предназначенных для работы в условиях воздействия повышенных и высоких температур, приведены в работе . 11а рис. 1.6 приведены зависимости модуля упругости жаростойких бетонов от температуры в интервале 50- 1000°С, построенные на основании табличных данных, приведенных в работе . Можно видеть, что с ростом температуры в целом происходит падение модуля упругости, причем при температуре, приближающейся к 1000°С, модуль упругости для некоторых составов бетонов уменьшается в десять и более раз (кривые 2 и 3). Для некоторых бетонов в интервале температур 70-300°С наблюдается некоторое увеличение модуля упругости (кривые 3 и 4).
Рис. 1.6. Температурные зависимости модуля упругости бетонов различных составов (Е 0 - начальный модуль упругости)
Учитывая достаточно сложный и неодинаковый для разных бетонов характер изменения модуля упругости с температурой, трудно аппроксимировать рассматриваемые зависимости единой относительно простой формулой. Одним из способов аппроксимации таких зависимостей может быть полиномиальная функция
Выражение (1.24) имеет два достоинства. Первое заключается в возможности достижения требуемой точности при невысокой степени полинома (N= 2, 3), второе - в наличии стандартных подпрограмм для определения коэффициентов аппроксимирующего полинома методом наименьших квадратов, что позволяет легко автоматизировать данную процедуру.
При решении задач с температурными полями вынужденные (температурные) деформации, входящие в физические соотношения (1.12), (1.13), вычисляются по формуле
где а т - коэффициент линейного температурного расширения, в общем случае зависящий от температуры.
На рис. 1.7 показаны зависимости а,(Т) для некоторых составов бетонов. Различный температурный диапазон для разных кривых обусловлен пределами применимости того или иного бетона. Следует обратить внимание на существенную зависимость коэффициента линейного температурного расширения от температуры. При этом в случае кратковременного нагрева с ростом температуры коэффициент а т монотонно уменьшается и при достижении температуры 1000°С его значение в несколько раз меньше, чем при нормальной температуре. При длительном нагреве а т с увеличением температуры сначала растет, а затем монотонно уменьшается. Очевидно, что при больших температурных градиентах необходимо учитывать зависимость этого коэффициента от температуры.
Рис. 1.7. Зависимость а т бетона от температуры: сплошная линия - при кратковременном нагреве; пунктирная линия - при длительном нагреве
Для аппроксимации функций а,(7) в случае их монотонного изменения можно использовать зависимости типа (1.22) или (1.23), а для функций, показанных пунктиром на рис. 1.7, можно воспользоваться полиномом типа (1.24).
Как было отмечено выше, если распределение температуры в теле неоднородно, то в соответствующем температурном интервале механические свойства тела являются функциями координат, т.е. тело становится неоднородным по своим упругим и пластическим свойствам.
Для определения этой неоднородности, названной нами косвенной, сначала требуется решить краевую задачу для уравнения теплопроводности
где X - коэффициент теплопроводности; с - удельная теплоемкость; р - плотность; W - интенсивность источников тепла, отнесенных к единице объема. Таким образом, функции неоднородности определяются но формуле
где под F понимается любая механическая характеристика материала. Следует также заметить, что в некоторых случаях необходим учет термической неоднородности, например зависимости ЦТ). На рис. 1.8 согласно работе приведены соответствующие графики для бетонов разных составов. Можно заметить, что для большинства марок бетонов коэффициент теплопроводности близок к постоянному значению или является слаборастущей функцией (кривые 2-4). Однако в некоторых случаях этот коэффициент с ростом температуры может существенно уменьшаться (кривая 1).
Рис. 1.8.
Для аппроксимации такой зависимости, по-видимому, может использоваться функция типа (1.22).
Как отмечено в работе , воздействие температурного поля может вызвать неоднородность двух типов: а) существующую во время действия температуры; б) остающуюся после снятия температуры, если последняя была настолько велика, что привела к структурным изменениям материала.
