Analiza modelu fizycznego stanowiska do szybkiego zmniejszania ciśnienia

Transkrypt

1 Biuletyn WAT Vol. LXV, Nr, 016 Anliz modelu fizycznego stnowisk do szybkiego zmniejszni ciśnieni MAREK SZUDROWICZ 1, LECH SOLARZ 1 Wojskowy Instytut Techniki Pncernej i Smochodowej, Sulejówek, ul. Okuniewsk 1 Wojskow Akdemi Techniczn, Wydził Inżynierii Lądowej i Geodezji, Wrszw, ul. gen. S. Kliskiego, lech.solrz@wt.edu.pl Streszczenie. Istnieje potrzeb bdni sprzętu dziłjącego n dużych wysokościch i trnsportownego drogą powietrzną. Bdnie dotyczy również wpływu szybkiej dekompresji. W prcy znjdujemy omówienie wymgń dotyczących bdń i propozycje podstwowych prmetrów stnowisk bdwczego. Brdzo trudne jest zprojektownie stnowisk tk, by czs dekompresji był zgwrntowny. Sprwdzenie tego wrunku zostło zrelizowne. Słow kluczowe: technik wojskow, dekompresj, oblicznie przepływu, bezpieczeństwo dziłni sprzętu DOI: / Wstęp Testy w komorch niskiego ciśnieni tmosferycznego są wykonywne w celu zbdni czy urządzeni i mteriły są odporne i/lub mogą dziłć w wrunkch obniżonego ciśnieni orz czy są odporne n gwłtowne zminy ciśnieni. Potrzeb prowdzeni tego rodzju testów wynik z wymgń funkcjonlnych dotyczących urządzeń i mteriłów, które determinowne są rodzjem ich zstosowń, w szczególności ze względu n to, że mogą one być: mgzynowne lub użytkowne w terenie, n dużej wysokości, trnsportowne lub dziłć w niehermetyzownych przestrzenich smolotów,

2 94 M. Szudrowicz, L. Solrz poddne gwłtownej lub eksplozyjnej dekompresji i przez to mogą stnowić zgrożenie dl bezpieczeństw konstrukcji smolotów lub zdrowi personelu, montowne n zewnątrz smolotów. Procedury bdń wrz z ich podstwowymi prmetrmi, tj. wrtość ciśnieni próby, jego zmin orz czs jego zminy, podwne są w normch obronnych. W krju wymgni te zwierją normy NO-06-A103 [4] i NO-06-A107 [5]. Ntomist stndrdy NATO i innych krjów członkowskich to m.in. STANAG 4370 [8], MIL-STD-810 [3], DEF STAN [1]. W krjowych normch obronnych wymgni stosownych w bdnich prmetrów uzleżnione są od rodzju grup sprzętu (nziemny, lotniczy czy morski). I tk np. w NO-06-A103 [4] dl grupy N, urządzeni nziemne, wymgnymi wrtościmi ciśnieni są: niskie ciśnienie tmosferyczne prcy 60 kp, niskie ciśnienie tmosferyczne podczs trnsportu nieprcującego urządzeni 1 kp. Norm NO [5] dl tej grupy urządzeń wymieni nstępujące rodzje procedur: bdnie odporności cłkowitej n niskie ciśnienie tmosferyczne, bdnie odporności cłkowitej n niskie ciśnienie tmosferyczne podczs trnsportu lotniczego, bdni odporności cłkowitej n szybkie zminy ciśnieni. Poszczególne procedury różnią się wrtościmi ciśnieni próby, czsem jego zminy, temperturą w komorze i czsem trwni testu. Procedury bdń przytoczone w stndrdch innych krjów członkowskich NATO różnią się od krjowych wrtościmi prmetrów orz ich zkresem stosowni ze względu n sposób użytkowni mteriłów i urządzeń [9, 3, 1]: procedur I Mgzynownie/Trnsport lotniczy procedur bdń stosown dl mteriłów i urządzeń w opkownich, trnsportownych smolotmi lub mgzynownych w terenie n dużej wysokości; procedur II Eksplotcj procedur bdń stosown do sprwdzeni prmetrów prcy urządzeń lub włściwości mteriłów w wrunkch niskiego ciśnieni; procedur III Gwłtown dekompresj procedur stosown w celu sprwdzeni czy gwłtowny spdek ciśnieni może spowodowć tką rekcję mteriłu lub urządzeni, któr stnowić może zgrożenie dl personelu lub pojzdu (smolotu, smochodu), w którym jest trnsportowne; procedur IV Eksplozyjn dekompresj procedur podobn do procedury III, z tym że nstępuje tu ntychmistowy spdek ciśnieni. Procedur stosown przede wszystkim dl urządzeń i mteriłów znjdujących się w kokpitch smolotów, których uszkodzenie lub zniszczenie wskutek dekompresji tego typu może spowodowć zgrożenie dl personelu.

3 Anliz modelu fizycznego stnowisk do szybkiego zmniejszni ciśnieni 95 Dl procedur I i II ciśnienie próby wynosi 57 kp (w chwili obecnej NATO zkłd prowdzenie dziłń lądowych mksymlnie n wysokości 4570 m, co odpowid ciśnieniu 57 kp). Dl procedur III i IV ciśnienie próby zmieni się od 75, kp do 18,8 kp. Różnice występują tkże dl przyjmownych wrtości czsu zminy ciśnieni w wybrnych procedurch. W normch krjowych dl dwóch pierwszych procedur mksymln szybkość zminy ciśnieni to 10 kp/min, dl procedury bdń odporności n szybkie zminy ciśnieni to od 18 do 4 minut. W stndrdch zgrnicznych zminy ciśnieni dl gwłtownej i eksplozyjnej dekompresji wynoszą odpowiednio mniej niż 15 s i 0,1 s. N podstwie nlizy wymgnych prmetrów relizcji poszczególnych procedur wykonno zestwienie złożeń do projektowni uniwerslnej komory podciśnieniowej: podciśnienie dl urządzeń prcujących 40 kp, podciśnienie dl mteriłów i urządzeń nieprcujących 1 kp, czs osiągnięci podciśnieni 1 kp (prędkość min. 10 kp/min) 8 9 min, czs zminy podciśnieni od 75 kp do 18,8 kp, nie więcej niż 0,1 s, zpewniony zps powietrz, pod obniżonym ciśnieniem 40 kp, do prcy silnik splinowego przez minimum 1 h, system odprowdzni splin, możliwość chłodzeni komory do 50 C i grzni do +60 C, odprowdzenie skroplin, mksymlne wymiry obiektu bdń mm. Rys. 1. Schemt stnowisk do szybkiego obniżni ciśnieni

4 96 M. Szudrowicz, L. Solrz Stnowisko skłd się z komory, wypełnionej w chwili początkowej powietrzem pod ciśnieniem (40 do 75) kp, orz ze zbiorników zwnych krótko butlmi, które są w chwili początkowej wypełnione powietrzem pod istotnie niższym ciśnieniem. Po otwrciu elektro-zworów, przez przewody łączące komorę z butlą, komor się opróżni butle się wypełniją. Proces kończy się w chwili, gdy ciśnienie w komorze i butlch się wyrówn. Obliczeni dotyczą objętości komory i objętości butli n podstwie bilnsu msy orz zleżności czsu wyrównni ciśnieni tk, by spełnione były wrunki odpowidjące dekompresji [9, 1].. Model i metod obliczeni Złożenie dotyczące zchodzącego procesu fizycznego 1. Proces jest izotermiczny. Komor, butle, przewody nie są termicznie izolowne i zchodzi proces wyminy ciepł z otoczeniem []. Pomijmy efekt Joule -Thompson.. Powietrze jest suche. W powietrzu tmosferycznym możemy oczekiwć pry wodnej w zkresie 0-4% objętości. Jeśli komor zostnie wypełnion powietrzem o wilgotności względnej bliskiej 0, eksperyment i model rozwżny w prcy nie będą wykzywły istotnych rozbieżności. Jeśli wilgotność będzie bliższ górnej grnicy oczekiwnych wrtości, nstąpi proces jej zestlni, który może istotnie wpłynąć n zjwisko. Prmetry procesu T tempertur powietrz od 3 K do 333 K; V k objętość komory pomniejszon o objętość obiektów w niej umieszczonych. Oczekiwn wrtość to 1,5 m* 1,5 m * 1,5 m = 3,3375 m 3, bo wewnątrz obiektu bdnego też jest powietrze, które usuwmy. V objętość zbiornik zwnego krótko butlą; b Nb liczb butli; wl 0, współczynnik strt n wlocie z komory do przewodu; z ( t) współczynnik strt zworu. Dl w pełni otwrtego zo 0,5; D średnic wewnętrzn przewodu Sp = D ; 4 l długość przewodu; k chropowtość wewnętrznej powierzchni przewodu; t zw czs otwierni zworu; p k 0 ciśnienie w komorze i przewodch przed otwrciem elektrozworów, (75 do 40) kp; p b0 ciśnienie w butli przed otwrciem elektrozworów. To ciśnienie wynik z możliwości pompy próżniowej w jednostopniowym systemie tworzeni podciśnieni. Grnic doln zkresu tej wielkości P.

5 Anliz modelu fizycznego stnowisk do szybkiego zmniejszni ciśnieni Bilns msy powietrz Ms powietrz w ukłdzie przed otwrciem elektrozworów jest równ msie powietrz po otwrciu elektrozworów. Zwory przy butlch. r k0 Vk NV b p NV b brb0 r f Vk Nb Vb V + + = + + p Gęstość msow powietrz w komorze r k 0 w kg/m 3 jest obliczn z prw Clpeyron pk0 = rk0 RT. Indywiduln stł gzow powietrz zostł przyjęt R = 87,1 J/(kg K) n podstwie [6]. R = 87 J/(kg K) według [7]. Zstępcz ms molow powietrz suchego M = 8,96 kg/mol [6]. r p p =, r = RT k0 b0 k0 b0 RT V p D = l Z bilnsu (1) obliczmy gęstość powietrz po zkończonym przepływie ( V NV ) NV V N ( V V ) rf = rk0 k b p b br + + b0 k + b b + p Ciśnienie w ukłdzie po zkończonym przepływie p f f 1 (1) () (3) (4) = r RT (5) Wzory (4) i (5) pozwlją zweryfikowć, czy wybrne objętości komory, butli orz ich ilość umożliwiją bdnie szybkiego spdku ciśnieni z 75 kp do 18,8 kp. W rozwżnich występuje ukryty problem rozbieżności między modelem gzu doskonłego równniem gzu rzeczywistego. Posłużymy się brdzo długim cyttem z prcy [6]. Gdy powietrze nie zchowuje się jk gz doskonły (w wrunkch wysokiego ciśnieni orz niskiej tempertury), nleży stosowć termiczne równni stnu gzu rzeczywistego. Stosunkowo prostym równniem tego typu, obejmującym szeroki zkres tempertury i ciśnieni, jest tzw. zmodyfikowne równnie Clpeyron ( ) gdzie Z f ( T, P) r = P/(ZRT) (.6) = liczb ściśliwości gzu (compressibility fctor). Dlej znjdujemy wzory proksymujące liczbę Z dl powietrz suchego i wniosek.

6 98 M. Szudrowicz, L. Solrz W wrunkch ciśnieni bliskiego ciśnieniu tmosferycznemu i niższego liczb ściśliwości Z jest brdzo blisk 1. Ztem w tych wrunkch powietrze suche zchowuje się jk gz doskonły... Oblicznie czsu przepływu Czs odmierzmy od chwili otwrci zworów. Ms gzu w komorze zmieni NQt. się w zleżności od strumieni powietrz wypływjącego z komory b r k k0 k b 0 Gęstość powietrz w komorze to ( t) t M t = V N Q t dt (6) M ( t). Ciśnienie powietrz w komorze to p( t) r ( trt ). k r k = (7) Vk = (8) k k Podobnie dl butli r M t = V + Q t dt. (9) b b0 b Gęstość powietrz w butli to ( t) M t 0 ( t). Ciśnienie powietrz w butli to p( t) r ( trt ). b r b = (10) Vb = (11) b b Strumień msy Q ( t ) jest iloczynem przekroju przewodu, gęstości powietrz i prędkości średniej. Uwzględnimy czs otwierni elektrozworów. Zjwisko będzie procesem o szybkiej zminie w chwili początkowej, nie pojwi się fl silnej nieciągłości, rozrzedzeni. Modelujemy zjwisko otwierni nie zminą przekroju, lecz t. Zstosujemy proksymcję linią łmną zminą współczynnik zworu z ( t) z t mx ( mx ) dl 0 < t < t = tzw zo dl tzw t. zw zw zo zw (1) Korzystmy z równni Bernoulliego [8]. Przekrój pierwszy lokujemy n początku przewodu między komorą butlą, drugi n jego końcu, przy butli. Otrzymmy 1 1 ( V1) + P1 + U1 = ( V) + P + U + U strt (13) Q Q V1 = ; V = ; (14) S r S r p 1 p

7 Anliz modelu fizycznego stnowisk do szybkiego zmniejszni ciśnieni 99 p1 dp p1 1 = = R T ln r pod ( p) pod P ; p P = R T ln pod. (15) Ciśnienie odniesieni pod jest młym ciśnieniem. Wrtość tego ciśnieni nie m wpływu n rezultt rozwżń ni zjwisko. Potencjł odniesiony do msy jednostki objętości U = gz, U = gz. (16) 1 1 Wysokości nd poziomem odniesieni z 1, z. Poziom odniesieni nie m wpływu n zjwisko, bo wpływ tylko różnic wysokości z1 z. Uwzględnimy zrówno loklne opory przepływu n wlocie i zworze, jk i opory liniowe. l 1 ( 1) [, ] (, ) dx U strt = wl V + Re V x t z ( t)( V). + (17) D 0 Oś x rozpoczyn się w przekroju kontktującym ze zbiornikiem, czyli w przekroju 1. We wzorze (17) występuje współczynnik oporu liniowego [ Re, ] DV ( x, t) k, zleżny od liczby Reynolds Re = orz chropowtości względnej =. Kinemtyczny D współczynnik lepkości zleży od tempertury. Prędkości, ciśnienie i gęstość powietrz są wielkościmi uśrednionymi po przekroju przewodu i zmiennymi z czsem. Rozwżmy proces izotermiczny, więc korzystmy z relcji Clpeyron: r Równnie (13) zwier niewidomą Qt. p xt, = xt, RT. (18) ( t) ( t) 1 F Q RT ln g z1 z wl 1 t r l 0 r 1 Qt + ( ) ( 1) r + ( S p ) dx + [ Re, ] r( x, t) + z ( t) + 1 r( t) = 0. D Ze wzoru (18) wynik r ( t) = r ( t) ; r ( t) r ( t) 1 k ( t) b (19) = (0) p1 t r1 =. Zstosowno interpolcję liniową p t r t x r( xt, ) = r1( t) + r( t) r1( t). (1) l

8 100 M. Szudrowicz, L. Solrz Współczynnik oporu λ obliczmy z zleżności Colebrook-White np. [7],51 = log10 + Re 3,7 ( xt, ) D 1 Re = Q( t) S r ; k = D. p Przy obliczenich korzystmy z itercji, które są brdzo szybko zbieżne. Współczynnik lepkości kinemtycznej istotnie zleży od tempertury. Obliczymy go korzystjąc z dwu źródeł [6] orz [10]. W [6] zwrty jest rysunek 4.. Lepkość dynmiczn suchego powietrz o ciśnieniu P 1 br orz wzór proksymujący tę krzywą w przedzile od ok. 173 C (100 K) do 377 C (650 K)., 1 br bt clnt d / T e / T 10 1,5 6 = kg/(ms) (4.) [6] = 53,747841; b= 0, ; c= 11, 4104; d = 1396,081; e = 68000,005 ; =. r () Tbel 1 Współczynnik lepkości kinemtycznej T K v wg [6] v wg [10] 175 5,967 5, ,654 7,53 5 9,510 9, ,5 11, ,68 13, ,99 15, ,43 18, ,01 0, ,71 3, ,5 5, ,51 31,68

9 Anliz modelu fizycznego stnowisk do szybkiego zmniejszni ciśnieni 101 W tbeli lepkość jest przedstwion w jednostkch m /s i pomnożon przez 10 6, czyli mikro(m s 1 ). W progrmie użyto średnich rytmetycznych obu kolumn..3. Algorytm obliczni czsu przepływu Wybiermy krok czsu t równy około 1/10 czsu otwrci zworu. Cłki obli- F Q poszukujemy metodą flsi czmy metodą Romberg. Miejsc zerowych funkcji (cięciw). Obliczeni prowdzimy do chwili, gdy różnic rk( t) rb( t) < rk( t) Tbelryzujemy p ( t) ; p ( t) ; r ( t) ; r ( t). k b k b 3. Konkluzje 0,01. Komor o rozmirze 1,5 m 1,5 m 1,75 m, czyli o objętości 3,9375 m 3, pozostwi po wstwieniu obiektu 1 m 1 m 1 m objętość,9375 m 3. Obiekty bdne zwierją objętości hermetyczne, z których powietrze nie będzie odsysne, orz tkie, z których powietrze będzie odsysne. Przyjmując, że 40% to objętości hermetyczne, możemy uznć, że powietrze odsysne z komory zjmuje V k = 3,3375 m 3. Zstosujemy butle o zbliżonej objętości V b = 4 m 3. Stosując przewody o średnicy wewnętrznej 60 mm i długości 800 mm otrzymmy, że objętość jednego przewodu to, m 3. Jest to wielkość brdzo mł w stosunku do objętości butli i komory. Przy ciśnieniu wewnątrz komory p k 0 równym 75 kp i ciśnieniu początkowym w butlch pb0 = 500 P otrzymmy ciśnienie końcowe: dl 5 butli 11,185 kp; dl 4 butli 13,387 kp; dl 3 butli 16,737 kp. Kżdy rezultt poniżej grnicznej wielkości 18,8 kp. Dl dwu butli otrzymmy ciśnienie końcowe,45 kp, więc zbyt wysokie. Stosując rozwiąznie z pięciom butlmi, spełnimy również wymgni normy NO [5]. Tempertur m brdzo mły wpływ n ciśnienie końcowe, le istotny n msę trnsportownego gzu i czs opróżnini. Dl tempertury 50 C orz 5 butli ms powietrz to 4,0764 kg, dl tempertury 60 C w procesie uczestniczy,730 kg powietrz. Obliczenie czsu spdni ciśnieni dl ukłdu omówionego powyżej ilustrują rysunki orz 3 wykonne dl tempertury 0 C. Wyższ krzyw n rysunku odpowid ciśnieniu w komorze niższ ciśnieniu w butli. Z wykresu określmy czs trwni spdku ciśnieni do wrtości 11, kp ok. 1,9 s. Tk wykonne stnowisko pozwoli bdć wpływ gwłtownego spdku ciśnieni (15 s wg DEF STAN [1]) n dziłnie sprzętu. Wrunek osiągnięci podciśnieni 1 kp (prędkość min. 10 kp/min) w 8 9 min wynikjący z normy NO [5] jest bezpiecznie spełniony.

10 10 M. Szudrowicz, L. Solrz Rys.. Wyrównywnie ciśnień N rysunku 3 górn krzyw przedstwi zminę msy powietrz w komorze, doln zminę msy w jednej butli. Rys.3. Zmin msy w komorze i butli

11 Anliz modelu fizycznego stnowisk do szybkiego zmniejszni ciśnieni 103 Wykonujemy obliczeni pozwljące oszcowć możliwość bdni wpływu eksplozyjnego spdku ciśnieni (0,1 s wg DEF STAN [1]) n dziłnie sprzętu. Przyjmujemy brdzo dużą średnicę przewodu 40 mm. Rys. 4. Proces wyrównywni ciśnień w ukłdzie z dużą średnicą przewodów Wydje się, że dlsze zwiększnie średnicy pozwoli osiągnąć czs wyrównywni ciśnień rzędu 0,1 s. Prwdopodobnie jest to złudzenie, poniewż trzeb dysponowć zwormi elektromgnetycznymi o odpowiednio dużej średnicy. Dziękujemy P.T. Recenzentom. Artykuł wpłynął do redkcji r. Zweryfikowną wersję po recenzjch otrzymno r. LITERATURA [1] Def Stn 00-35, Environmentl Hndbook for Defence Mteriel. [] Fedorowicz R., Kołodziński E., Solrz L., Komputerowe modelownie przesyłni gzu, Cyber, Wrszw, 00. [3] MIL-STD-810, Environmentl Engineering Considertions nd Lbortory. [4] NO-06-A103:005, Uzbrojenie i sprzęt wojskowy Ogólne wymgni techniczne, metody kontroli i bdń Wymgni środowiskowe. [5] NO-06-A107:005, Uzbrojenie i sprzęt wojskowy Ogólne wymgni techniczne, metody kontroli i bdń Metody bdń odporności cłkowitej n dziłnie czynników środowiskowych.

12 104 M. Szudrowicz, L. Solrz [6] Oleśkowicz-Popiel, Cz. Wojtkowik J., Włściwości termofizyczne powietrz i wody, Wydwnictwo Politechniki Poznńskiej, 015. [7] Orzechowski Z., Prywer J., Zrzycki R., Mechnik płynów w inżynierii środowisk, WNT, Wrszw, [8] Rymrz Cz., Mechnik ośrodków ciągłych, PWN, Wrszw, [9] STANAG , ENVIRONMENTAL TESTING. [10] The Engineering Tool Box. M. SZUDROWICZ, L. SOLARZ The stnd for low-pressure (ltitude) tests. The physicl model s nlysis Abstrct. Testing of equipment used t high ltitude nd trnsported by ir is necessry. The effect of decompression should be tested, too. The requirements for testing nd the most importnt prmeters of the stnd re presented in the pper. The required time of decompression should be chieved during the tests. The time of decompression in the projected stnd is nlysed nd clculted. Keywords: militry engineering, decompression, flow clcultion, relibility of equipment DOI: /