Влияние теплофизических параметров двухфазного потока с твердыми дисперсными частицами на ликвидацию тепловыделения при диффузионном горении

В народном хозяйстве широко используются тепловые установки, предназначенные для получения высокотемпературного газа в результате сжигания органических топлив. Такие установки (камеры сгорания, топки, печи) являются классическими объектами тепло-физических исследований [l-б]. Этот аспект горения предполагает максимальное развитие средств его интенсификации и разработку теплофизических мероприятий, повышающих эффективность использования тепловой энергии, выделяющейся при горении топлив. Другим важным народнохозяйственным аспектом горения является тушение пожаров и непредусмотренных технологическими процессами возгораний рабочих сред [7]. Тушение связано с использованием мероприятий, в большинстве являющихся теплофизическими. Это позволяет соответствующие задачи тушения сводить к определенным комбинациям задач теплообмена в гетерогенных системах [8] .

Одной из наиболее часто реализующихся на практике ситуаций как при «полезном», так и при «вредном» горении является объемное горение при наличии негорючей конденсированной дисперсной фазы КДФ" Исследованиям влияния негорючей КДФ на теплофизические процессы в тепловых установках рассматриваемого типа посвящено довольно много работ (например, «[1,4]). Рассматривались тепло-физические задачи о влиянии параметров частиц КДФ на теплообмен. Концентрация и дисперсный состав КДФ обычно предполагались заданными. Так учитывается, например, влияние летучей золы, образующейся при сжигании твердых топлив, на радиационный теплообмен в продуктах сгорания. Межфазный массообмен рассматривается только в тех случаях, когда КДФ образуется непосредственно в зоне горения (сажеобразование при сжигании газообразных и жидких углеводородных топлив).

Таким образом в теплофизических исследованиях рассмотренного класса полностью игнорируется влияние негорючей КДФ на ме,-ханизм горения, что является оправданным для используемых на практике тепловых установок, только при пренебрежимо слабом влиянии негорючей КДФ на межфазшй массообмен компонентами, ведущими процесс горения.

Однако при определенных условиях такой массообмен может играть значительную роль, В настоящее время проводятся разработки ряда новых тепловых установок, для которых это обстоятельство является проблемой, нуждающейся в специальных исследованиях с целью обеспечения надежной работы установок и реализации ожидаемых теплофизических характеристик. К таким установкам относятся камеры сгорания, отрабатываемые в качестве генераторов низкотемпературной плазмы с использованием легкойонизуемой присадки в виде сухого порошка карбоната калия [9,10]. Аналогичная ситуация имеет место при сжигании продуктов газификации твердых топ-лив, содержащих летучую золу, а также при работе камер сгорания, предназначенных для аэродисперсной переработки минерального сырья.

Основой для формулировки указанной проблемы являются экспериментальные данные об ингибировании пламен порошками некоторых веществ, в частности, соединений щелочных и щелочноземельных металлов [II]. В результате исследований установлены вещества, которые рекомендованы для тушения пожаров [7,11,12]. Однако законченная теория эффекта отсутствует, а эмпирических данных недостаточно для обобщений.

Анализ этих данных позволяет сделать заключение о том, что ин~ гибирование является следствием гибели компонент, ведущих процесс горения, при межфазном массообмене. Изучение этого эффекта представляет непосредственный практический интерес для разработки средств тушения пожаров.

Таким образом проблема влияния параметров дисперсных частиц на ингабирование пламен имеет идентичные формулировки при «полезном» и «вредном» горении. Отличия возникают на стадии формулировки практических рекомендаций. Дня горения органических то-шшв в тепловых установках необходимо определить условия, при которых ингабирование невозможно. Для тушения пожаров требуется противоположный результат.

Б диссертации представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований сформулированной выше актуальной проблемы методом, применяемым в теплофизике двухфазных сред.

Решена тепловая задача для пламен при наличии сквозного потока негорючих частиц с учетом гибели активных центров цепной реакции при межфазном массообмене этих компонент. Феноменологический подход к описанию этого процесса позволил выразить основные характеристики ингибирования через параметры частиц и горючих веществ с помощью соотношений, удобных для обработки эмпирических данных и их обобщения. Создана установка для испытаний инги-бирующих свойств различных дисперсных материалов и горючих веществ. Получен эмпирический материал, позволивший сделать полезные для практики рекомендации.

Диссертационная работа выполнена в Государственном научно-исследовательском институте им. Г. М. Кржижановского и Всесоюзном научно-исследовательском институте противопожарной обороны МВД СССР.

Результаты работы внедрены на Кохтла-Ярвеской ТЭЦ при разработках оборудования опытно-промышленной установки и в Казахском государственном университете при проведении исследований ингиби-рутощей эффективности порошковых составов.

ШВА I. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ ДИСПЕРСНЫХ ЧАСТИЦ НА ТЕПЛОФИЗИЧЮКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ.

I.I. Теплофизические характеристики горения.

Горение в большинстве тепловых установок и при пожарах происходит при раздельном поступлении горючего и окислителя в зону реагирования и осуществляется только после смещения реагентов в результате молекулярной или турбулентной диффузии. Такое горение принято называть диффузионным. Скорость химической реакции при этом лимитируется смешением окислителя и горшего и важнейшими, определяющими процессами, являются процессы массои теп-лопереноса.

Горение начинается при достижении критических условий и является самоподдерживающимся процессом. Критические условия MoiyT быть связаны с накоплением тепла или катализирующих компонент. Горение большинства углеводородных топлив определяется автокаталитическими цепными реакциями [I3-I6] •.

На рис. I. I показаны тепловые режимы диффузионного гетерогенного или квазигетерогенного горения [l5j. Верхние части кривых I, показанные штриховыми линиями, отвечают диффузионной области, где скорость реакции слабо возрастает с температурой и сильно зависит от скорости газов. Чем выше скорость, тем выше лежат соответствующие кривые. Критические условия воспламенения и прекращения горения соответствуют точкам касания рже кривых I и 2 и описываются уравнениями Семенова Н. Н. jl3].

ЫТ=УГ'.

I.

1.2).

Стационарный режим горения соответствует точке i пересечения кривых I и 2 и описывается уравнением (I.I).

Теплоотвод может осуществляться конвекцией и излучением и определяется соотношением [l7] где F (T- (1.3) о (р, (1.4).

— коэффициент теплоотдачи конвекцией,.

— Ъ9(Т+Т.)(Га+Твг) (1.5).

— коэффициент теплоотдачи излучением, — постоянная Больц-мана,? — степень черноты пламени, Т — температура пламени,.

TQ — температура окружащей среды, F — площадь поверхности пламени.

Тепловыделение связано со скоростью диффузионного горения соотношением lie) Щ (1.6) где N — тепловой эффект реакции. Следовательно, W является одной из важнейших теплофизических характеристик горения, используемой для расчетов температурных режимов и продолжительности горения. Сложность физических процессов, протекающих при диффузионном горении, обусловила преимущественное развитие экспериментальных методов определения W. В частности, для горения жидких топлив используется метод, основанный на измерениях зависимостей скорости выгорания от диаметра резервуара и скорости воздушного потока, а также зависимости высоты пламени от диаметра резервуара [19−23, 109]. Такие зависимости представлены на рис, I.2-I.6.

Основной проблемой является измерение скорости выгорания. Эта проблема решена для экспериментов на лабораторных моделях [19,24, НО, III]. Прибор для автоматического измерения этой характеристики предложен в [25] • Эксперименты на крупных моделях связаны с большими материальными затратами. Поэтому разрабатываются аналитические и эмпирические методы определения скорости выгорания в крупномасштабных условиях по теплофизическим свойствам горючих или данным экспериментов на лабораторных моделях |l9,26,I09,II2, ИЗ]. Следует отметить, что разработанные аналитические методы неприменимы для веществ, теплофизические свойства которых неизвестны и не поддаются расчету (смеси горючих жидкостей и вещества сложного состава).

Одним из направлений исследований брутто-процесса горения является определение промежуточных реакций и их констант. Накоплен обширный материал, описанный в монографиях [27,28]. Предложены раочетные схемы, включающие радикалы Н,*0Н, HO2VCHO, R, ДОР0£, 0,.

Наиболее активными в реакциях окисления углеводородов считаются радикалы Н, ОН и 0 [29,30,114], Средняя длина свободного пробега этих радикалов составляет 1(Г®-*2*1(Г® м [30,31,32], «время жизни» не превышает нескольких миллисекунд [29,32,33]. Однако даже для реакций окисления водорода и углерода полученные данные не являютоя исчерпывающими. Данные по горению высших углеводородов, составляющих основу органических тошшв, характеризуются еще меньшей полнотой.

В общем виде феноменологическая модель диффузионного горения должна включать уравнения, учитывающие кинетическую и диффузионную составляющие, а также их взаимодействие. ф я К х> ф m о ф ен S я S.

Ен о о ft о ?

0. б 4.

2 0.

Температура.

РисЛЛ. Стационарные термические режимы горения,.

1-кривые тепловыделения;

2-кривая теплоотвода.

Рис, 1.2, Зависимость скорости выгорания от диаметра резервуара,£ ,.

16 а в* о о.

§ КГ/2 ф.

К «ф, а о к.

Ен О Я я ф 8.

А 0.

-•Бензин У у-Керосин уДизельное.

• / ' топливо.

1 —I11 о ojs 1,0 15 гр

Скорость воздуха, Рис. 1,3.

0,1 О R ю* /очи см.

Зависимость скорости выгорания от скорости воздуха при Л = 1,3 м. к а. о m с2 I я с.

Ен Н О О р4 о W о.

Рис, 1,4, Зависимость относительной высоты пламени от ?).

5 Ю 15 20 25 Скорость воздуха, м/с ' '.

Рис, 1,5. Зависимость скорости выгорания от скорости воздуха. 1,2-трактор-ный керосин с Д, =0,48 м и J}r=0,30m- 3-дизель-ное топливо D = 0,49 м.

О 50 /00 /50 200.

Скорость воздуха, Pq.

Рис, 1,6, Влияние скорости обтекающего газа на горение жидкой капли н-гептанз. Цифры-температура и скорость течения газа.

При поступлении окислителя в пламя из окружающего пространства, где его концентрация равна С, и при одинаковой доступности всех участков поверхности пламени процессу массообмена с окружающей средой, IV можно определить уравнением (15).

W-fFlC-Q, (1.7) где С4 — концентрация окислителя в пламени, tf — коэффициент массообмена. Поступающий окислитель расходуется в пламени — узкой зоне шириной, а, отделяющей область, где находится окислитель и нет горючего, от области, где имеется горючее и нет окислителя. Вне этой зоны реакция не идет, и активные центры теряют свою активность при столкновениях с продуктами реакции или молекулами горючего на расстоянии, равном средней длине свободного пробега.

А &-б]. В самом пламени активные центры гибнут в результате столкновений с молекулами газовой смеси jl3, II5|. Такая модель аналогична модели предложенной Семеновым Н. Н. для цепной реакции при наличии ограничивающих стенок. В общем случае задача сводится к решению уравнения диффузии в виде где по — концентрация активных центров равномерно создающихся в границах с координатами х-О и х=о, причем х — координата по нормали к фронту пламениJJ — коэффициент диффузии, осуществляемой под влиянием разности концентраций п (х) активных центров в разных частях фронта пламени, t — время,.

6-G-f,.

С и f — константы обрыва и разветвления цепей. Следует отметить, что.

G=/2/AT- (1.9) где 6 и у8 — вероятности разветвления и обрыва цепей, которые определяются соотношениями [l3| p^expfs/m], 5-Ц, e*p[-Q/(RT)l (i.io) где At — «время жизни» активных центров, S и Q — энергии активации обрыва и разветвления цепей, и — постоянные. Стационарная реакция определяется условиями dn (х, i)/dt =0, S = G-f >О.

Соответствующее решение уравнения диффузии получено Семеновым Н. Н. в [хз] в виде.

W= nob~4[i-(0,5B °-5В-°'5аУ' ih (Q5B0-sl)-0−5a)] U. ii) при граничных условиях:

П/ =¦ /7/ = О. (I.I2) х=0 /х=о в Cl. Il) определяется выражением.

П=риоЬС<�еу.р[-Е/т)1 (I.I3) где р — стеричный фактор, К0 — предэкспоненциальный множитель, R — газовая постоянная, Л — концентрация горючего в пламени, Е — энергия активации горения.

При диффузионном горении химическая реакция протекает при сте-хиометрическом соотношении горняего и окислителя [хб] и скорость реакции в пламени можно выразить соотношением [34].

W=lSC*Fa, (I.I4) — где К — константа скорости реакции и) — суммарный порядок реакции.

При диффузионном горении лимитирующим оказывается массообмен, т.к. диффузионное сопротивление много больше химического [15,16, 19]. При этом.

С4СЧ"1. (1*15).

Общее количество вещества, сгорающего в единицу времени, ограничено подаваемым количеством газа. Поэтому из-за большой скорости реакции в пламени его ширина, а, а также концентрации горючего, А и окислителя Cj в нем малы [1б] .

Наиболее полный массив данных о значениях энергии активации при горении различных топлив в воздухе опубликован в [116]. Расчетные и экспериментальные значения lSOJp} Q}S образуют весьма широкие интервалы, что затрудняет их применение для практических оценок. Например, 0 <р< I [34-Эб|, S= 4 * 12 ккалДг-моль) [Зб|, Q = 26 ккал/(г-моль) [lI5], для мономолекулярных реакций Ко=1013* +I014 с" 1 и KQ=I, 8*IO-^+IO" «*4 см3/(с"моль) для бимолекулярных реакций |34,3б], по данным экспериментальных исследований) = I* *2,4 [34,11^ • Основные сведения о ширине зоны реакции в пламенах получены в результате экспериментов на ламинарных пламенах при сжигании заранее приготовленных смесей. В |32,37) показано, что а~gzad (T-Та). По данным работ [15,16,23,32,34,3^ температура горения углеводородных тошшв лежит в узком диапазоне 1500−1600 К. Ширина зоны горения при этом не превышает долей миллиметра jl6,29, 32,34,39) .

При интенсивной подаче реагентов ламинарное горение переходит в турбулентное и скорость горения быстро увеличивается с ростом интенсивности турбулентности [32] • Исключением является только случай мелкомасштабной турбулентности. В [40−42,II8-I20] показано, что скорость турбулентного горения пропорциональна Ре**, где.

Re — число Рейнольдса набегающего потока и К>0. Однако в [15, 34,43,44) получены данные, свидетельствующие о том, что скорость турбулентного горения ~ Qq4. В [34,12о] обнаружено влияние вида горючего на скорость турбулентного горения.

Частота турбулентных пульсаций со при крупномасштабной и мелкомасштабной турбулентности определяется выражениями [44) cd^vD?, (I.I6) со.^ 0,25<ir'>sri~°'5Л-0'5, (1.17) где V и Лг — средняя скорость и характерный размер потока, iкоэффициент кинематической вязкости.

Большинство схем горения, встречающихся на практике, можно свести к двум моделям: I) горение жидких тошгив со свободной поверхностью (наиболее характерный пример — пожары на нефтехранилищах) и 2) горение в высокоскоростных потоках (наиболее характерный пример — горение в прямоточных камерах сгорания). В первой модели горение происходит в условиях естественной конвекции, когда скорости о воздуха и пара не превосходят 10 м/с. Однако вследствие большого размера потока, пламя в такой модели характеризуется крупномасштабными пульсациями [23| .Во второй модели скорость обычно велика, но из-за малости характерного размера частота турбулентных пульсаций получается настолько малой, что фронт пламени при визуальном наблюдении кажется неизменным [23]. Согласно Франк-Каменецкому Д.А. [15], при сильном влиянии турбулентности на горении оно оказывается микродиффузионным и лимитирующим процессом является перемешивание малых объемов горючего и окислителя.

При диффузионном горении коэффициент массообмена к* можно определять выражением f = (I.I8) где.

St = Nu/(ReSc) — (I.I9).

— критерий Стэнтона, Nu — критерий Еуссельта, Sc — критерий Шмидта. Для турбулентных потоков St имеет практически постоянное значение, для ламинарного потока Nu^consb [15]. Лля описания массообмена турбулентного потока во внутренних задачах можно использовать формулу [45].

Nu= 0,024 (1.20) во внешних задачах (например, обдув воздухом пламени над резервуаром с жидким топливом).

I.2I).

Здесь Pz — критерий Прандтля, /й = 0,4+0,67- ft = 0,3*0,4- tt — зависит от формы обтекаемого тела [l5]. Установлено, что при обдуве пламени над резервуаром у возрастает при переходе от ламинарного к турбулентному режиму горения, затем остается постоянным [2^ .

Площадь поверхности пламени может быть вычислена по очевидным геометрическим характеристикам только для ламинарных диффузионных пламен [121}. В литературе отсутствуют данные о значениях этого параметра для турбулентных пламен. В [38] предлагается считать поверхностью турбулентного пламени над резервуаром боковую поверхность конуса с основанием, совпадающим с зеркалом горящей жидкости и высотой, равной высоте факела. В [lI2,II3) в качестве поверхности турбулентного пламени принималась эффективная поверхность с постоянным излучением. Определяемые такими методами значения F не позволяют проводить достаточно корректные оценки теплоотвода и скорости реакции.

вывода.

В диссертации получены следующие основные результаты:

1. Получено аналитическое решение уравнения диффузии активных центров в пламенах при наличии монодисперсных частиц конденсированной фазы с учетом межфазного массообмена компонентами, участвующими в процессе диффузионного горения,.

2. Путем рассмотрения теплового баланса в двухфазной среде, образующейся при введении дисперсных частиц в диффузионные пламена, получено аналитическое выражение для критической концентрации дисперсной фазы, при которой происходит ликвидация тепловыделения, обусловленного химическим реагированием топлива с окислителем в газовой фазе. Аналитические зависимости устанавливают связь критической концентрации MQ с параметрами частиц (размером, плотностью материала, коэффициентом рекомбинации активных центров поверхностью частиц) и теплофизическими характеристиками топлива.

3. В результате аналитического решения нестационарного уравнения сохранения энергии получено выражение для времени ликвидации тепловыделения в пламенах при достижении критической концентрации дисперсных частиц. Проведенные оценки показали, что при реализующихся на практике условиях, время ликвидации тепловыделения имеет порядок десятых долей секунды.

4. Использование металлокерамического канала, через стенки которого производится подача жидких топлив и дискового дозатора конденсированной дисперсной фазы позволило создать экспериментальную установку, обеспечивающую проведение массовых лабораторных исследований влияния теплофизических характеристик таких топлив и параметров дисперсных частиц на процесс тепловыделения при горении жидких топлив. Установка позволяет проводить аналогичные эксперименты при сжигании газообразных топлив.

5. Впервые в практике теплофизических исследований процессов горения осуществлено применение лазерного дисперсионного анализа на основе инвариантов малоуглового рассеяния света.

6. На пламенах лабораторного масштаба получены экспериментальные данные о значениях критической концентрации дисперсных частиц и времени ликвидации тепловыделения при сжигании ацетона, бензина, керосина, бензола, гептана, гексана, бутилового, изобу-тилового, пропилового, изопропилового спиртов и использовании выпускаемых промышленностью огне тушащих порошков ПСБ-3, ПФ и Пирант «А». Диапазон М для приведенных комбинаций «топливо + U дисперсные частицы» составляет 0,04+0,34 кг/м^. Аналогичные данные получены при сжигании природного газа в присутствии частиц KgCOg в широком диапазоне коэффициента избытка окислителя. о.

Наибольшее значение М = 0,1 кг/м (для варьируемого отношения.

Li расхода метана к воздуху от 5 до 21%) соответствует 10 $.

Были проведены также исследования возможности частичной замены промышленных огне тушащих порошковых составов дешевыми побочными продуктами промышленных производств, например, летучей золой. Эксперименты показали, что при использовании смеси 70 $ ПСБ-3 и 30 $ золы сланца приводит к увеличению критической концентрации всего лишь на 15 $.

7. Проведенные экспериментальные исследования позволили получить зависимость критической концентрации от параметров дисперсных частиц (размера, коэффициента рекомбинации активных центров поверхностью частиц) и теплофизических параметров топлива.

8. В результате сравнительного анализа экспериментальных данных о ликвидации тепловыделения дисперсными частицами, полученных на лабораторной установке и на крупномасштабных очагах горения жидких топлив установлена критическая концентрация порошка ПФ при ликвидации горения бензина (М ^ 100 г/м3) •.

9, Сформулированы рекомендации для практической реализации подавления горения дисперсными частицами в промышленных условиях.