Научно-техническая стратегия обеспечения безопасного применения машин специального назначения в условиях чрезвычайных ситуаций

Введение. Состояние проблемы.

Пожарные автомобили (ПА), являясь в Российской Федерации основной техникой реагирования на чрезвычайные ситуации природного и техногенного характера, непрерывно конструктивно совершенствовались в полифункциональ-ном направлении [1] (рис. 1).

а)

б)

Рисунок 1 – Полифункциональные модификации ПА [1]: АЦ 3.0-40/4 (43253) – с отвалом (толкающее усилие – 3000 кг), гидроприводным кран-манипулятором и световой мачтой (рис. 1 а); водоплавающий пожарный автомобиль АЦ 4.0 (рис. 1 б)

Однако, в условиях глобализации мировой экономики и остром конкурентном противостоянии в последние года России с западными странами, на протяжении 2000-2020 годов парк ПА в значительной своей части устаревал, что сопровождалось ростом доли ПА, требующих списания по моральному износу техники [1] (рис. 2).

При работе двигатели ПА выбрасывают в атмосферу с отработавшими газами (ОГ) сильнейшие токсичные, канцерогенные и мутагенные загрязнители (поллютанты) СО, СН, NO X , бензо(α)пирен, PM 2.5 и парниковые газы СО 2 , СН 4 [2, 3]. Как показали исследования в эксплуатации, проведенные в рамках инициативных изысканий [4], ПА в среднем по России имеют экологический уровень Euro-0 – Euro-1 [5] (0 – 1 экологические классы).

а)

Следует отметить, что крайне незначительная часть от общего числа ПА [4], преимущественно для развивающихся инвестируемых территорий и столичных регионов РФ, соответствует экологическим уровням Euro-4 – Euro-5 [5] (4 – 5 экологические классы), но которые могут поддерживаться поставками специализированного экологического оснащения, производимого в странах дальнего зарубежья, которые из-за санкций прекратились.

Для компенсации возникшей в РФ проблемы с поставками автомобилей и компонент для них из западных стран Правительство РФ, специальным Постановлением [6], существенно расширило диапазон экологических требований (в сторону их ослабления) при сертификации автомобильной продукции для отечественных производителей.

б)

Рисунок 2 – Характеристика состояния ПА, в среднем, по РФ [1]: изменение числа ПА, подлежащих списанию (рис. 1 а); распределение парка основных ПА по возрастным группам (рис. 1 б).

до 5 лет от 6 до 10 лет от II до 15 лет от 16 до 26 лет свыше 20 лет

Но, такое вынужденное, объективно не- ПА 0 – 1 экологических классов, вступило в про-обходимое, временное решение, в отношении тиворечие с природно-охранными требованиям

Научно-техническая стратегия обеспечения безопасного применения машин …

РФ к санитарно-гигиеническому качеству воздуха в местах эксплуатации ПА [7]. В статье приводится теоретическая разработка кинетики окислительного катализа в оригинальном устройстве, применение которого, в комплексе с авторской технологией водного микро-эмульгирования топлива [8], разрешает отмеченное противоречие в условиях эксплуатации ПА.

Методика и результаты исследования

На кафедре пожарной техники Санкт-петербургского университета МЧС РФ разработано устройство, которое каталитическим путем дожигает продукты неполного окисления топлива в двигателях ПА [9].

Конфузор с патрубком и фланцем крепления газоотводящего шланга

• ^    у— Каталитический блок

• • i /       у—Капсулы с теплоаккумулирующим веществом

—--Фланец реактора

Диффузор

Гибкий металлический шланг для подсоединения с выпускной трубой двигателя

Теплоизолирующая футеровка

Трубчатый электрический Кожух нагреватель (тен)

Рисунок 3 – Устройство дожигания СО, СН, БП, PM 2.5 дизельных двигателей ПА

Устройство было разработано на основе новых знаний о природе термохимического процесса, протекающего в каталитическом блоке (рис. 3) сотовой конструкции, с образованием сот между скручиваемыми плоскими и гофрированными стальными лентами толщиной 50 мкм. Носителем платинового катализатора Pt в блоке является тонкий пористый слой γ -Al 2 O 3 , по отечественной технологии пропитанный платинохлористоводородной кислотой H 2 [PtCl 6 ].

Широко масштабными многолетними теоретическими и экспериментальными исследованиями на поршневых двигателях внутреннего сгорания, оборудованных авторскими конструкциями каталитических нейтрализаторов [8, 9], было установлено, что кинетика физико-химического явления может развиваться в зависимости от температуры ОГ, как в объеме сотовой ячейки блока, так и на катализаторе внутри пористого слоя. Оно хорошо согласуется с моделью «псевдообъемной» цепной реакции [9] для результирующей скорости процесса катализа (dm/dt)

I dt J

4(

lI

Nu D ■ D d экв

--------^ .   ■ k ¹

эф

/

( Nu D ■ D

+ d экв

I --------г)!

V D эф ■ ^k Г C 0 JJ

где    Nu D – диффузионное число Нуссельта;

D – число, характеризующее диффузию ОГ внутри ячейки блока;

d экв – условный диаметр сечения ячейки блока;

Dэф – число, условно характеризующее диффузию ОГ в пористом слое катализатора, понятие которого вытекает из соотношения dc/dt = /)эф • Дс — W'(c),           (2)

где c – концентрация реагирующего вещества ОГ внутри слоя пористого катализатора; Д -Лапласа оператор; W ' (c) - скорость химической реакции в порах катализатора

W ' (c) = к'с^п,              (3)

где к' - константа «псевдообъемной» гомогенной реакции в порах катализатора k' = k^Sv,              (4)

где   Sv - удельная внутренняя поверхность пор, приходящаяся на единицу объема пористого катализатора, м2/м3;

к - число скорости химической реакции по закону Аррениуса («истиной» реакции [9]);

n – число, характеризующее порядок реакции по закону Аррениуса.

Модельные численные расчетные исследования по разработанной модели (1) … (3), их анализ и сопоставление с реальными режимами эксплуатации двигателя ПА, потребовали, для достижения температуры эффективной работы каталитического блока (400-600 0С), дооснастить его, как это видно на рис. 3, дополнительными системами и агрегатами:

• –    принудительного разогрева трубчатым электрическим нагревателем (теном) на режимах «холодного старта» ПА;

• –    тепловым аккумулятором фазового перехода (капсулами с теплоаккумулирующим веществом) для разогрева ОГ в моменты вынужденных кратковременных остановок ПА при движении в городском режиме;

  – тепловой изоляции с внешней средой (теплоизолирующая футеровка) для сохранения теплового режима работы каталитического блока и обеспечения пожарной безопасности устройства при аварийном перегреве катализатора.

Все перечисленные дополнительные системы устройства отрабатывались автором в течение длительного периода времени (многих лет). Это позволило добиться высокой очистки (нейтрализации) ОГ по СО, СН, БП, PM 2.5 , в зависимости от режимов эксплуатации двигателя ПА, – до 70-90% и выше [8, 9]. Эмиссия NO X уменьшалась методом водно-топливного эмульгирования [8].

На (рис. 4) показаны результаты испытаний двигателя ПА по процедурам 13 режимного теста Правил №49 Европейской Экономической Комиссии Организации Объединенных Наций (ЕЭК ООН).

Правила №49ЕЭК ООН

Рисунок 4 – Результаты испытаний оригинальных технологий и оборудования в комплексе по Правилам №49 ЕЭК ООН : (СГ+ДТ) – серийный глушитель и дизельное топливо; (КН+ВТЭ) – нейтрализатор-глушитель и водная эмульсия дизельного топлива

Заключение

Разработанная научно-техническая стратегия и, реализующие ее, оригинальные технологии и оборудование, как доказали теоретические исследования и результаты стендовых испытаний на полноразмерном поршневом двигателе, позволяют повысить безопасность специальной техники по санитарно-гигиеническим показателям (эмиссии СО, СН, БП, PM 2.5 , NO X ) на 2–3 экологических класса. Это позволит обеспечить качество воздушной среды в местах применения пожарных и аварийно-спасательных машин на уровне требований природоохранных стандартов.