Разрушение заторов на реках их плавлением с использованием термита по экологически безопасной малоэнергоёмкой технологии

Введение. Непосредственная опасность ледовых заторов на реках заключается в резком подъёме уровня воды и затоплении прилегающих территорий. Заторы льда бывают на реках, вскрытие которых происходит сверху вниз по течению, например Лена, Енисей, Иртыш и другие реки, текущие с юга на север. Актуальна проблема разрушения заторов при подтоплении населённых пунктов по энергосберегающим и экологически безвредным технологиям. Применяемые в практике в настоящее время способы борьбы с заторами дороги недостаточно эффективны.

Взрывные работы запрещается производить вблизи жилых или промышленных объектов. Недостатками взрывного метода являются высокие энергетические затраты; необходимость обеспечения безопасности людей, устанавливающих заряды взрывчатого вещества; вред, наносимый экологии водоёма [1]. Заряды взрывчатых веществ в герметичной упаковке накладываются на затор с вертолёта в режиме его висения, при взрыве большая часть энергии (примерно 70–80 %) рассеивается вверх и в стороны, разрушение затора иногда заменяется его уплотнением.

В связи с паводком ожидается возникновение чрезвычайных ситуаций в десяти населенных пунктах северных территорий края: Богучанского, Енисейского, Туруханского, Эвенкийского, Таймырского районов, где возможно нарушение условий жизнедеятельности для 1664 человек [1, 2].

Цель работы . Разработка способа разрушения заторов на реках без негативных факторов взрывов и разработка средств механизации для его выполнения.

При этом необходимо решить следующие задачи:

• -    определить количество тепла для плавления затора;

• -    выбрать тип устройства для подачи зарядов термита на затор;

• -    определить технические параметры предлагаемого устройства.

В данной работе представлены разработанная авторами технология экологически безопасной ликвидации заторов на реках, расчёты величины заряда термита, таблицы количества зарядов в зависимости от протяжённости заторов, конструкция устройства для заброса зарядов в затор, дальность метания зарядов и экономические показатели эффективности устройства.

Предлагаемое техническое решение. Предлагается производить подачу на затор термитного состава в бочках ёмкостью 200 дм³. Бочка с термитом и запальным устройством устанавливается манипулятором на смонтированную на автомобиле повышенной проходимости катапульту, приводимую в действие сжатым воздухом, и забрасывается на затор. Цикл повторяется до заброса необходимого количества зарядов. Сжатый воздух поступает в расположенные на раме баллоны (4 шт.) ёмкостью 150 дм³ каждый от приводимого в действие от коленчатого вала двигателя базового автомобиля компрессора высокого давления АК-150 (давление 15 МПа) или автономного малогабаритного компрессора с двигателем внутреннего сгорания (рабочее давление 33 МПа). От баллонов воздух поступает в пневмоцилиндры, штоки которых присоединены к раме катапульты.

Бочки с зарядами перевозятся в съёмных контейнерах на том же автомобиле (20 шт.) и прицепе к нему (30 шт.). При прибытии на место работ контейнеры разгружаются манипулятором, один заряд укладывается им же в гнездо катапульты, закрытой пневматически управляемым крюком. Через запорный кран в цилиндры подаётся сжатый воздух от баллонов с контролем давления по манометру, что обеспечивает выбранную дальность метания. Заряд зажигается ударом по запальному устройству, крюк открывается электропневмоклапаном, катапульта срабатывает поворотом её рамы на 450 и бочка летит на затор. Наводка по горизонтали производится поворотом машины, по дальности – давлением подаваемого в цилиндры сжатого воздуха. При горении термита вследствие высокой (до 30000 С) температуры происходит плавление льда, а также частичное разложение воды на кислород и водород в зоне контакта и их сгорание. Схема установки представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Схема установки для доставки и метания зарядов термита на затор

Методика и результаты исследований. Методика исследований включает теоретический расчёт количества тепловой энергии для расплавления в заторе определённых размеров (данные берутся из статистики МЧС) щели, достаточной для его разрушения. На основании полученных данных определяется масса одного заряда термита и их количество для разрушения заторов различной протяжённости при заданных в виде констант свойствах льда. Технические параметры предлагаемого устройства определяются исходя из его кинематики, геометрических размеров и давления воздуха (задаётся типом используемого компрессора). Результаты исследований представляются в виде таблиц зависимости необходимого количества заряда термита заданной массы для таяния льда от ширины затора и номограммы расчёта дальности метания от давления воздуха в цилиндрах.

Масса термитного заряда определяется из условия расплава в заторе щели длиной a = 20 м, шириной b = 0,5 м и глубиной h = 3м. Объём расплавляемого льда V л равен

V л = а • b • h.                                             (1)

Масса расплавляемого льда mл (кг)определяется по выражению mл = ρ • Vл,                                            (2)

где ρ – плотность льда, кг/м³.

Количество тепла Q наг (Дж), которое потребуется для нагрева льда до температуры плавления, определится по выражению

Q наг. = С • m • ΔТ,

где С – удельная теплоёмкость льда, Дж/кг · К;

ΔТ – перепад температуры, град.

Для массы льда при принятых размерах расплавляемой щели 27510 кг

Q наг. = 210 • 27510 • 4 = 23108400 Дж.

Количество тепла Q плав (Дж), которое потребуется для плавления льда, определится по выражению

Q плав. = λ • m,                                            (4)

где λ – удельная теплота плавления льда, Дж/кг.

Для нагревания и плавления льда потребуется тепла Q Σ = Q наг. + Q плав.

Q Σ = 9376508400 Дж. Тепловые потери составляют 1/3 всей энергии.

Количество тепла для нагревания и плавления заданного объёма льда с учётом тепловых потерь составит 12502011200 Дж.

Масса термитного заряда для данного количества льда mтер определяется по выражению mтер.

= Q

с учетом потерь

/q,

где q – теплота сгорания химического соединения, q = 3,864 · 10⁶ Дж/кг [3]. Масса заряда составит 3235,51 кг

Масса термитного заряда в одной бочке объёмом 200 дм³ определяется из удельного насыпного веса закиси железа Fe 2 O 3 2,15 г/см³ и алюминиевой пудры 1,5 г/см³, а также их пропорции 75 и 25% соответственно. Отсюда в ёмкость объёмом 200 дм³ поместится 400 кг термита; учитывая массу бочки 25 кг, метаемая масса заряда составит 425 кг. Зависимость необходимого количества термита для протаивания льда приведена в таблице.

Зависимость необходимого количества заряда термита для таяния льда в зависимости от ширины затора при ширине щели 0,5 м

Длина затора, м	Глубина, м*	Объём льда, м3	Количество термита, кг	Количество бочек объёмом 200 дм3, шт.
20	3	30	3236	8
40	3	60	6452	16
60	3	90	9678	24
80	3	120	12904	32
100	3	150	16130	40
120	3	180	19356	48

*– по данным МСЧ Красноярского края.

Как видно из приведённых в таблице данных, количество зарядов в бочках является линейной зависимостью и может быть определено через пропорцию или по графикам для любой протяжённости затора.

Дальность метания заряда массой 425 кг под углом к горизонту 450 определяется по выражению [4]

V ²

S = 0 ⋅ sin 2α ⋅ К , gу где V0 – скорость метания, м/с;

• α – угол метания к горизонту, град;

• g – ускорение свободного падения, м/с²;

К у – коэффициент уменьшения дальности полёта за счёт сопротивления воздуха.

Необходимая при этом сила толкания заряда F, Н где L – длина дуги разгона, м [5], L =

F =

P sin α L

l

2 ⋅ π ⋅ R ⋅ α

360 ^{0 ;}

R – радиус поворота центра тяжести метаемого заряда, м;

α – угол поворота рамы катапульты, 45⁰;

Р – вес объекта с половиной массы рамы катапульты;

l – плечо крепления цилиндра к раме метателя, м.

Задаваясь дальностью метания, по выражению (6) определим необходимую скорость разгона V, м/с

V =

S ⋅ g

.

\ Sin 2 α ⋅ Ky ^.

Определив длину дуги метания L из выражения (7), найдём требуемые усилия толкания для заданной дальности метания.

Расчёт усилия на штоке цилиндра и выбор его диаметра производятся на основании предпосылки, что он установлен под углом в начале метания α нач = 45⁰, в конце пути под углом α кон = 90⁰, в среднем α ср = 75⁰. Необходимое усилие на штоке Р Σ определится из выражения [5]

F ⋅ ^L P Σ =      ^l

Sin α ср

.

Усилие на штоке цилиндра от давления воздуха определится из выражения [5]

Р ц = π • r² • р • η,

где η – КПД цилиндра, 0,9;

r – радиус цилиндра, r = 6 см ;

р – давление воздуха, подаваемое в цилиндр, 150 кг/см2.

Зависимость между давлением, подаваемым в цилиндры метателя, и дальностью метания приведена на графике (рис. 2), используемом при выполнении работ.

Давление в цилиндре

Рис. 2. Номограмма расчёта дальности метания термитного заряда массой 425 кг в зависимости от давления в цилиндрах установки

При повышении давления в системе до 33 МПа дальность метания возрастает по линейной зависимости и составит 124 м. Для снижения падения давления воздуха в цилиндре при движении поршня он снабжён дополнительным ресивером, соединяющимся с поршневой полостью посредством окна, размер которого обосновывается критической скоростью при турбулентном режиме истечения.

В стоимость работ по ликвидации заторов на реках включается разработка съёмной установки на автомобиль КамАЗ 43114. Установка монтируется на автомобиль на период работ, остальное время автомобиль используется по назначению. Цена закиси железа 7200 руб/т, алюминиевой пудры 70000 руб/т. Цена заряда со стоимостью бочки и запала составит 5000 рублей.

Стоимость эксплуатации автомобиля 1712 руб/ч [5]. Стоимость оборудования (метателя и системы пневматического привода) 234000 рублей. При использовании автомобиля в течение одного месяца по две смены (световой день) затраты на эксплуатацию за 480 часов составят 821760 рублей. Цена зарядов на 5 заторов по 20 шт. (по статистике МЧС) составит 500000 руб. Всего затрат на 1 установку в сезон 1,322 млн руб.

Расходы на борьбу с заторами на реках по Красноярскому краю за прошедший год составили более 2,5 млн рублей, но затопления населённых пунктов все же произошли, и на ликвидацию их последствий администрацией было израсходовано дополнительно 19 млн рублей [1].

Выводы

• 1.    Использование термита в качестве тепловыделяющего состава позволяет использовать его в количестве 0,12 кг для расплавления 1 кг льда.

• 2.    В результате химической реакции горения термита для расплавления заторов выделяются чистое железо и диоксид алюминия, не наносящие ущерба окружающей среде.

• 3.    Дальность метания заряда термита прямо пропорциональна давлению воздуха в цилиндрах.

• 4.    Использование предлагаемого метода борьбы с заторами на реках сократит стоимость работ по ликвидации заторов на реках в 8–10 раз и позволит производить работы на реках в зоне населённых пунктов.