Поправочный коэффициент кудельной подъемной силе гелия и водорода на атмосферное давление

Атмосферное давление, мм рт.ст.	720	725	730	735	740	745	750	755	760	765	770	775	780
Поправочный коэффициент	0,947	0,955	0,961	0,968	0,974	0,980	0,987	0,993	1,000	1,007	1,013	1,020	1,026

До обнаружения на Земле гелия в 1895 г. (а открыт он был в спектре Солнца еще в 1868 г.) водород признавался газом, обла­дающим значительно большей удельной подъемной силой по срав­нению с другими известными газами. После 1895 г. возникла аль­тернатива в виде безопасного инертного гелия, имеющего при со­поставимой удельной подъемной силе меньшую текучесть через аэростатные ткани. Так, например, газопроницаемость полиэтилентерефталатной пленки толщиной 44 мкм при температуре 0° С по водороду составляет 3,2 ∙ 10^-3 м³/(м²∙сут), а по ге­лию — 1,9 ∙ 10^-3 м³/(м²∙сут); при температуре 25° С по водороду — 7,3 ∙ 10^-3 м³/(м²∙сут); по гелию — 4,4 ∙ 10^-3 м³/(м²∙сут) [149].

В настоящее время водород применяют только для наполне­ния оболочек беспилотных аэростатов. Однако сравнительная де­шевизна водорода заставляет исследователей обратить на него внимание [146, 149] с надеждой выполнить пожаробезопасным и легкодоступным.

Отработанные методы получения водорода (химические, электролизные и др.) позволяют производить его в достаточных количествах с помощью относительно негромоздкого оборудования непосредственно у мест дислокации аэростатических аппа­ратов [149].

Взрыво- и пожароопасность водорода обусловлены его высо­кой активностью при химическом взаимодействии с окислителями с выделением большого количества тепла. Внутренний объем во­дородного аэростата неизбежно содержит некоторое количество воздуха, состоящего примерно на 20,9% из сильного окислителя (кислорода). В момент наполнения оболочки водородом его чис­тота определяется условиями наполнения и чистотой исходного продукта. В процессе эксплуатации воздухоплавательного аппара­та происходит взаимное проникновение воздуха в объем водоро­да и водорода в окружающую атмосферу. Постепенно внутри аэростата возникает «гремучая смесь», которая в обычных условиях воспламеняется, а при высоких температурах детонирует со взры­вом. Пределы воспламеняемости смеси «водород-воздух» соответ­ствуют концентрации водорода от 4 до 75% объема. Нижний и вер­хний пределы детонации смеси водорода с воздухом соответству­ют его концентрациям от 15 ÷ 17 до 59 ÷ 63% объема [ 149].

Пределы воспламенения и детонации горючих газов в смеси с окислителем могут быть изменены путем добавления в смесь инер­тных компонентов — газов-разбавителей: азота, аргона, гелия, уг­лекислого газа, паров воды и др. На рис. 4.15 показаны пределы воспламенения водорода в атмосфере воздуха, разбавленного флегматизирующим газом. Смеси воспламеняются внутри облас­ти, ограниченной кривыми и осью ординат. Область за кривой со­ответствует проценту разбавителя, выше которого воспламенение невозможно, а также процентному содержанию кислорода, ниже которого смесь становится негорючей, т.е. пламя не может распро­страняться. Видно, что смесь становится взрывобезопасной при содержании гелия в системе «газ-разбавитель + воздух» до 85% по объему при содержании водорода в смеси около 6% по объему. Другие флегматизирующие газы-разбавители имеют большую плотность и значительно снижают удельную подъемную силу газо­вой смеси, наполняющей оболочку аэростатного баллона.

Фреоны способны флегматизировать водородовоздушную смесь при добавлении их от 2,5 до 15% объема. Однако фреоны сами являются взрывоопасными веществами, а при отрицатель­ных температурах могут изменить агрегатное состояние, т.е. кон­денсироваться на холодной оболочке аэростата или в объеме сме­си [149].

Следует признать, что имеющиеся в настоящее время ре­шения проблемы флегматизации водородовоздушных смесей малоэффективны.

Рис. 4.15. Пределы воспламенения водорода в атмосфере воздуха, разбавленного углекислым газом, азотом или гелием

(20° С, 760 мм рт. ст.)

Для обеспечения безопасности водородного аэростата требу­ется постоянная очистка его газового объема от воздуха или раз­бавление образующихся водородо-воздушных смесей чистым во­дородом. Размещение такого взрывоопасного объекта на терри­тории горного предприятия в целях вентиляции карьерных про­странств и улучшения условий труда горнорабочих вряд ли целе­сообразно. Однако, в случае появления надежных и безопасных водородных аэростатов и дирижаблей, использование водорода в качестве несущего газа для вентиляционных плавучих трубопрово­дов станет наиболее приемлемым вариантом.

До тех пор, пока этого не произошло, на трубопроводных вен­тиляционных системах следует применять гелий, добываемый из природного газа на специальных установках газоперерабатывающих заводов (табл. 4.7) и поставляемый к месту наполнения обо­лочек в металлических баллонах под высоким давлением. По це­нам 1998 г. стоимость 1 м³ газообразного гелия в США составляла 1,983 долл. [149]. В связи с недавним открытием в нефтегазовых скоплениях Восточной Сибири гигантских запасов гелия, в ближай­шие годы возможно резкое падение его стоимости.

Таблица 4.7

Объемы разведанных запасов и добычи гелия в мире на период 1996-97 г.г.

Страны	Разведано, млрд. м3	Получено от природного газа, млн. м3
		1996	1997
США	12,2	103	106
СССР (СНГ)	9,2	4,2	4,2
Алжир	2,1	3,8	5,3
Канада	2,1	-	-
Китай	1,1	-	-
Польша	0,8	1,4	1,4
Нидерланды	0,7	-	-

Заполненные гелием несущие баллоны должны обеспечивать удержание трубопровода во взвешенном состоянии, т.е. полная подъемная сила F_А (кгс) одного баллона должна быть больше веса одного звена с соединительными элементами G (кгс). Так как газо­вый объем баллона

м³, (4.3)

то с учетом уравнения (4.2) условие плавучести трубопровода вы­полняется при следующем соотношении конструктивных парамет­ров его основных элементов:

, (4.4)

В первом приближении геометрические размеры надувно­го баллона D_н и L_б при заданном диаметре проходного отвер­стия D можно определить с помощью «золотой пропорции» τ : 1, где τ = . В обоснование этого решения необходимо от­метить, что применение метода «золотого сечения» при проекти­ровании новых трудномоделируемых объектов дает надежные, а часто и оптимальные результаты [150, 151].

Пусть в нашем случае эта пропорция будет соблюдена в отно­шениях внешнего диаметра надувного баллона D_н к диаметру про­ходного отверстия D и длины баллона L_б к длине окружности, опи­сывающей его внешний контур, т.е.:

, м (4.5)

, м (4.6) Полученные в результате расчетов по формулам (4.5), (4.6) и (4.3) размеры (табл. 4.8) служат отправной точкой при проектиро­вании гибкого трубопровода легче воздуха, вес составных частей которого G лимитируется условием плавучести (4.4).

Таблица 4.8