Міністерство освіти і науки України
Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова
Кафедра загальної та хімічної фізики
Поширення полум'я в гібридних сумішах вугілля-метан-повітря
Курсова робота
студентки IV курсу
фізичного факультету Кам'янецької Ольги Іванівни
Науковий керівник
професор Шевчук В.Г.
Одеса-2004
Зміст
Введення
Глава1. Поширення полум'я в горючих сумішах
1.1 Поширення полум'я в газофазних сумішах.
1.1.1. Структура одностадійної хвилі та швидкість горіння в наближенні вузької зони реакції.
1.1.2. Займання газових сумішей і швидкість поширення полум'я.
1.2 Ламінарний полум'я в пилях.
1.3 Поширення полум'я в гібридних сумішах.
Глава2. Експериментальна установка і методика дослідження полум'я гібридних сумішах.
2.1 Опис установки.
2.2 Методика обробки результатів.
Висновки.
Введення.
Горіння в режимі поширення полум'я є найбільш часто зустрічається видом горіння як у гомогенних газоподібних системах, так і в пилях.
Завдання поширення полум'я в газах є класичною задачею фізики горіння і детально вивчена як в експериментальному [1], так і в теоретичному плані [2].
На відміну від газів, де пальне і окислювач перемішані на молекулярному рівні, в пилях з'являються додаткові керуючі параметри, зумовлені дисперсним станом пального, такі як: розмір частинок, їх форма, розподіл часток по розмірам [3].
У газодинамічному відносинами між газами і пилом існує певна подібність, що виявляється в існуванні режимів розповсюдження полум'я: ламінарного, вібраційного, турбулентного, детонаційного. Однак, якщо в газах умови існування цих режимів визначаються тільки концентраційними співвідношеннями, то в пилях вони в більш значній мірі залежать від дисперсних характеристик пального.
Проміжне становище між газами і пилом займають так звані гібридні суміші, тобто суміші пального порошку з газоподібним окислювачем і пальним. Наприклад, гібридні суміші вугілля-метан-повітря. Саме в таких сумішах відбуваються найбільш руйнівні шахтні вибухи. Проте в експериментальному плані такі системи практично не вивчалися (за винятком детонацій в експериментальних штреках). Теоретичне моделювання поширення полум'я в суміші горючих газів і частинок, засноване на чисельному інтегруванні рівнянь теплового та масового балансу проводилися в єдино відомої нам роботі [4].
Із загальних фізичних міркувань слід очікувати, що якщо частинки досить дрібні для того, щоб займатися і горіти в зоні газового полум'я, то тверда фаза буде виступати як додаткове джерело тепла і швидкість полум'я повинна чисельно зростати в гібридній суміші в порівнянні з чисто газовою сумішшю. Якщо ж газоподібна суміш є бистрогорючей, а частки досить великими, то горіння частинок буде відбуватися поблизу чи в зоні газофазних продуктів згоряння. У цьому випадку тепловиділення на частинках реалізується на великих відстанях від кордону предпламенная зона - зона газофазного горіння і не буде робити істотного впливу на динаміку прогріву предпламенной зони, тобто частинки будуть служити додатковим стоком тепла в зоні горіння аналогічно інертної добавки. Внаслідок цього слід очікувати зниження швидкості розповсюдження полум'я.
Для зазначених двох підходів повинні реалізовуватися різні розрахункові схеми ламінарного полум'я. Вибір того чи іншого підходу, перш за все, повинен грунтуватися на експериментальних дослідженнях ламінарного полум'я в гібридних сумішах.
Наша робота присвячена експериментальному вивченню ламінарного полум'я в гібридних сумішах метан-вугілля-повітря. Її основна ідея полягає в порівняльних дослідженнях процесу поширення полум'я в наступних сумішах: метан-повітря при різних концентраційних співвідношеннях компонентів; метан-вугілля-повітря; метан-повітря-інертна добавка при відповідних концентраціях метану. В якості базового експериментального методу обрано метод тонкостінного гумового зонда, тобто попередньо створюється горюча газоподібна суміш, потім виробляється розпил твердого компонента і центральне запалювання. Для цього нам знадобилося модифіковані установку "зонд" [5] передусім системою приготування і контролю параметрів горючою метаноповітряної суміші. У роботі дано опис установки і наведені результати попередніх дослідів.
Глава 1: Поширення полум'я в горючих сумішах.
1.1 Поширення полум'я в газофазних сумішах.
1.1.1 Структура одностадійної хвилі та швидкість горіння в наближенні вузької зони реакції.
Поширення хвилі горіння є одним з можливих режимів, в якому можуть протікати екзотермічні хімічні реакції. При поширенні хвилі горіння вихідна речовина, що має порівняно низьку початкову температуру, відокремлене вузькою зоною горіння від продуктів реакції, що мають значно більш високу температуру. Зона горіння, що розділяє вихідна речовина та продукти, переміщується у бік вихідної речовини з деякою лінійною швидкістю u н, званої нормальною швидкістю горіння.
У хвилі горіння протікають хімічні реакції, що приводять до виділення тепла і нагрівання середовища, відбувається перенесення тепла і компонентів суміші завдяки процесам теплопровідності, випромінювання, дифузії, фільтрації і т. п.
Головним завданням теорії поширення хвиль горіння є вивчення стаціонарної хвилі горіння та з'ясування умов, за яких стаціонарний хвильовий режим реакції може бути реалізований. Важливість цих питань зумовлена найбільшою поширеністю стаціонарного режиму та його значенням в практичних цілях.
У стаціонарному режимі хвиля горіння поширюється практично з постійною швидкістю, причому постійної є не тільки швидкість хвилі, залишаються незмінними також профілі температури і концентрацій компонентів (у системі координат, пов'язаної з хвилею горіння). Поняття про стаціонарної хвилі горіння по суті є наближеним, але зміни швидкості і структури хвилі горіння за час її поширення в більшості випадків настільки незначні, що поняття стаціонарного режиму набуває цілком реальний зміст.
Типові профілі температури Т і швидкості тепловиділення при однозонної протіканні реакції показані на рис.1, де через х / позначена просторова координата, стрілкою вказано напрямок, в якому поширюється хвиля; літерами Q Ф позначена швидкість тепловиділення.
Т в
Uн
QФ
Т про
Рис 1. Х '
Фізична картина процесу стаціонарного поширення хвилі горіння полягає в наступному.
Оскільки швидкість реакції сильно збільшується з температурою, то там, де температура висока (адіабатична температура горіння Т b зазвичай лежить в межах 1000-3000 К), хімічне перетворення протікає з дуже великою швидкістю, наприклад, за мілісекунди. У зоні інтенсивного хімічного перетворення, розташованої в області високих температур (див. рис. 1), виділяється тепло, яке завдяки процесу теплопровідності передається в сусідні шари холодної речовини, нагріваючи їх і прискорюючи тим самим там реакцію. У результаті середовищі відбувається поширення хвилі екзотермічної реакції. Крім теплопровідності, у хвилі горіння відбувається ще дифузія компонентів на відстанях порядку товщини зони горіння в разі горіння газів і різні інші процеси при горінні гетерогенних систем.
Хвилю горіння зручно розглядати в системі координат, яка переміщується разом з нею. Нехай хвиля горіння поширюється в напрямку, зворотному напрямку координати x / (X / - Відстань у нерухомій системі координат), зі швидкістю u n . Рівняння теплопровідності в нерухомій системі координат запишемо в наступному вигляді:
де t - час; c p - Питома теплоємність середовища при постійному тиску;
Перейдемо до системи координат, пов'язаної з хвилею горіння:
де x - Відстань у рухається зі швидкістю u n системі координат.
Замінюючи в (1.1.1) x / на x , Отримаємо
Оскільки в стаціонарній хвилі горіння профіль температури залишається незмінним, похідна
Граничні умови для (1.1.4) (вважаємо, що тепловтрати відсутні і у хвилі горіння досягається термодинамічна рівновага):
Для простоти будемо вважати, що в кожній точці стаціонарної хвилі горіння є деяка однозначна зв'язок між концентраціями компонентів і температурою. Тоді швидкість тепловиділення в рівнянні (1.1.4) можна вважати функцією тільки температури і тому (1.1.4) можна розглядати незалежно від решти рівнянь. З урахуванням цього представимо рівняння (1.1.4) у такій простій формі:
Тут швидкість реакції Ф, що є відповідно до зробленому припущенню функцією лише температури, повинна звертатися в нуль при Т = Т b , Оскільки температура горіння Т b відповідає завершенню реакції; Q - тепловий ефект реакції.
Будемо вважати, що виділення тепла у хвилі горіння відбувається одностадійно, наприклад, внаслідок протікання тільки однієї хімічної реакції. Підкреслимо, що це не означає відсутність інших реакцій. Припущення полягає лише в тому, що внеском у швидкість тепловиділення від інших реакцій з тих чи інших причин можна знехтувати. Знову будемо розглядати рівняння теплопровідності (1.15):
Джерело тепловиділення Q Ф у (1.16) залежить від концентрацій реагуючих речовин a i. Зв'язок між a i і Т в кожній точці хвилі горіння в загальному випадку невідома і не може бути визначена без рішення повної системи рівнянь, що включає рівняння для концентрацій. Однак для нас поки що досить вважати, що такий зв'язок в принципі є (вважаємо, що рішення задачі про стаціонарної хвилі горіння існує), і розглядати тільки одне рівняння (1.16).
Зважаючи на сильної залежності швидкості реакції від температури у хвилі горіння можна знехтувати всюди за винятком вузької зони поблизу температури горіння Т b (така ситуація зображена на рис. 1). Цю зону, де швидкість реакції велика, називають зоною реакції (або зоною тепловиділення). Інша частина хвилі горіння, розташована в області більш низьких температур, називається зоною прогріву (або прогрітим шаром). У зоні прогріву тепловиділенням від хімічної реакції можна знехтувати. Прогрів суміші в цій зоні від Т = Т 0 до температур, кілька більш низьких, ніж Т b, відбувається за рахунок тепла, що надходить із зони реакції. Розмір зони прогріву набагато перевищує розмір зони реакції.
Введемо в (1.16) нові змінні. Як незалежної змінної замість координати будемо розглядати температуру Т, а в якості залежної змінної теплової потоку: Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова
Кафедра загальної та хімічної фізики
Поширення полум'я в гібридних сумішах вугілля-метан-повітря
Курсова робота
студентки IV курсу
фізичного факультету Кам'янецької Ольги Іванівни
Науковий керівник
професор Шевчук В.Г.
Одеса-2004
Зміст
Введення
Глава1. Поширення полум'я в горючих сумішах
1.1 Поширення полум'я в газофазних сумішах.
1.1.1. Структура одностадійної хвилі та швидкість горіння в наближенні вузької зони реакції.
1.1.2. Займання газових сумішей і швидкість поширення полум'я.
1.2 Ламінарний полум'я в пилях.
1.3 Поширення полум'я в гібридних сумішах.
Глава2. Експериментальна установка і методика дослідження полум'я гібридних сумішах.
2.1 Опис установки.
2.2 Методика обробки результатів.
Висновки.
Введення.
Горіння в режимі поширення полум'я є найбільш часто зустрічається видом горіння як у гомогенних газоподібних системах, так і в пилях.
Завдання поширення полум'я в газах є класичною задачею фізики горіння і детально вивчена як в експериментальному [1], так і в теоретичному плані [2].
На відміну від газів, де пальне і окислювач перемішані на молекулярному рівні, в пилях з'являються додаткові керуючі параметри, зумовлені дисперсним станом пального, такі як: розмір частинок, їх форма, розподіл часток по розмірам [3].
У газодинамічному відносинами між газами і пилом існує певна подібність, що виявляється в існуванні режимів розповсюдження полум'я: ламінарного, вібраційного, турбулентного, детонаційного. Однак, якщо в газах умови існування цих режимів визначаються тільки концентраційними співвідношеннями, то в пилях вони в більш значній мірі залежать від дисперсних характеристик пального.
Проміжне становище між газами і пилом займають так звані гібридні суміші, тобто суміші пального порошку з газоподібним окислювачем і пальним. Наприклад, гібридні суміші вугілля-метан-повітря. Саме в таких сумішах відбуваються найбільш руйнівні шахтні вибухи. Проте в експериментальному плані такі системи практично не вивчалися (за винятком детонацій в експериментальних штреках). Теоретичне моделювання поширення полум'я в суміші горючих газів і частинок, засноване на чисельному інтегруванні рівнянь теплового та масового балансу проводилися в єдино відомої нам роботі [4].
Із загальних фізичних міркувань слід очікувати, що якщо частинки досить дрібні для того, щоб займатися і горіти в зоні газового полум'я, то тверда фаза буде виступати як додаткове джерело тепла і швидкість полум'я повинна чисельно зростати в гібридній суміші в порівнянні з чисто газовою сумішшю. Якщо ж газоподібна суміш є бистрогорючей, а частки досить великими, то горіння частинок буде відбуватися поблизу чи в зоні газофазних продуктів згоряння. У цьому випадку тепловиділення на частинках реалізується на великих відстанях від кордону предпламенная зона - зона газофазного горіння і не буде робити істотного впливу на динаміку прогріву предпламенной зони, тобто частинки будуть служити додатковим стоком тепла в зоні горіння аналогічно інертної добавки. Внаслідок цього слід очікувати зниження швидкості розповсюдження полум'я.
Для зазначених двох підходів повинні реалізовуватися різні розрахункові схеми ламінарного полум'я. Вибір того чи іншого підходу, перш за все, повинен грунтуватися на експериментальних дослідженнях ламінарного полум'я в гібридних сумішах.
Наша робота присвячена експериментальному вивченню ламінарного полум'я в гібридних сумішах метан-вугілля-повітря. Її основна ідея полягає в порівняльних дослідженнях процесу поширення полум'я в наступних сумішах: метан-повітря при різних концентраційних співвідношеннях компонентів; метан-вугілля-повітря; метан-повітря-інертна добавка при відповідних концентраціях метану. В якості базового експериментального методу обрано метод тонкостінного гумового зонда, тобто попередньо створюється горюча газоподібна суміш, потім виробляється розпил твердого компонента і центральне запалювання. Для цього нам знадобилося модифіковані установку "зонд" [5] передусім системою приготування і контролю параметрів горючою метаноповітряної суміші. У роботі дано опис установки і наведені результати попередніх дослідів.
Глава 1: Поширення полум'я в горючих сумішах.
1.1 Поширення полум'я в газофазних сумішах.
1.1.1 Структура одностадійної хвилі та швидкість горіння в наближенні вузької зони реакції.
Поширення хвилі горіння є одним з можливих режимів, в якому можуть протікати екзотермічні хімічні реакції. При поширенні хвилі горіння вихідна речовина, що має порівняно низьку початкову температуру, відокремлене вузькою зоною горіння від продуктів реакції, що мають значно більш високу температуру. Зона горіння, що розділяє вихідна речовина та продукти, переміщується у бік вихідної речовини з деякою лінійною швидкістю u н, званої нормальною швидкістю горіння.
У хвилі горіння протікають хімічні реакції, що приводять до виділення тепла і нагрівання середовища, відбувається перенесення тепла і компонентів суміші завдяки процесам теплопровідності, випромінювання, дифузії, фільтрації і т. п.
Головним завданням теорії поширення хвиль горіння є вивчення стаціонарної хвилі горіння та з'ясування умов, за яких стаціонарний хвильовий режим реакції може бути реалізований. Важливість цих питань зумовлена найбільшою поширеністю стаціонарного режиму та його значенням в практичних цілях.
У стаціонарному режимі хвиля горіння поширюється практично з постійною швидкістю, причому постійної є не тільки швидкість хвилі, залишаються незмінними також профілі температури і концентрацій компонентів (у системі координат, пов'язаної з хвилею горіння). Поняття про стаціонарної хвилі горіння по суті є наближеним, але зміни швидкості і структури хвилі горіння за час її поширення в більшості випадків настільки незначні, що поняття стаціонарного режиму набуває цілком реальний зміст.
Типові профілі температури Т і швидкості тепловиділення при однозонної протіканні реакції показані на рис.1, де через х / позначена просторова координата, стрілкою вказано напрямок, в якому поширюється хвиля; літерами Q Ф позначена швидкість тепловиділення.
Т про
Рис 1. Х '
Фізична картина процесу стаціонарного поширення хвилі горіння полягає в наступному.
Оскільки швидкість реакції сильно збільшується з температурою, то там, де температура висока (адіабатична температура горіння Т b зазвичай лежить в межах 1000-3000 К), хімічне перетворення протікає з дуже великою швидкістю, наприклад, за мілісекунди. У зоні інтенсивного хімічного перетворення, розташованої в області високих температур (див. рис. 1), виділяється тепло, яке завдяки процесу теплопровідності передається в сусідні шари холодної речовини, нагріваючи їх і прискорюючи тим самим там реакцію. У результаті середовищі відбувається поширення хвилі екзотермічної реакції. Крім теплопровідності, у хвилі горіння відбувається ще дифузія компонентів на відстанях порядку товщини зони горіння в разі горіння газів і різні інші процеси при горінні гетерогенних систем.
Хвилю горіння зручно розглядати в системі координат, яка переміщується разом з нею. Нехай хвиля горіння поширюється в напрямку, зворотному напрямку координати x / (X / - Відстань у нерухомій системі координат), зі швидкістю u n . Рівняння теплопровідності в нерухомій системі координат запишемо в наступному вигляді:
де t - час; c p - Питома теплоємність середовища при постійному тиску;
Перейдемо до системи координат, пов'язаної з хвилею горіння:
де x - Відстань у рухається зі швидкістю u n системі координат.
Замінюючи в (1.1.1) x / на x , Отримаємо
Оскільки в стаціонарній хвилі горіння профіль температури залишається незмінним, похідна
Граничні умови для (1.1.4) (вважаємо, що тепловтрати відсутні і у хвилі горіння досягається термодинамічна рівновага):
Для простоти будемо вважати, що в кожній точці стаціонарної хвилі горіння є деяка однозначна зв'язок між концентраціями компонентів і температурою. Тоді швидкість тепловиділення в рівнянні (1.1.4) можна вважати функцією тільки температури і тому (1.1.4) можна розглядати незалежно від решти рівнянь. З урахуванням цього представимо рівняння (1.1.4) у такій простій формі:
Тут швидкість реакції Ф, що є відповідно до зробленому припущенню функцією лише температури, повинна звертатися в нуль при Т = Т b , Оскільки температура горіння Т b відповідає завершенню реакції; Q - тепловий ефект реакції.
Будемо вважати, що виділення тепла у хвилі горіння відбувається одностадійно, наприклад, внаслідок протікання тільки однієї хімічної реакції. Підкреслимо, що це не означає відсутність інших реакцій. Припущення полягає лише в тому, що внеском у швидкість тепловиділення від інших реакцій з тих чи інших причин можна знехтувати. Знову будемо розглядати рівняння теплопровідності (1.15):
Джерело тепловиділення Q Ф у (1.16) залежить від концентрацій реагуючих речовин a i. Зв'язок між a i і Т в кожній точці хвилі горіння в загальному випадку невідома і не може бути визначена без рішення повної системи рівнянь, що включає рівняння для концентрацій. Однак для нас поки що досить вважати, що такий зв'язок в принципі є (вважаємо, що рішення задачі про стаціонарної хвилі горіння існує), і розглядати тільки одне рівняння (1.16).
Зважаючи на сильної залежності швидкості реакції від температури у хвилі горіння можна знехтувати всюди за винятком вузької зони поблизу температури горіння Т b (така ситуація зображена на рис. 1). Цю зону, де швидкість реакції велика, називають зоною реакції (або зоною тепловиділення). Інша частина хвилі горіння, розташована в області більш низьких температур, називається зоною прогріву (або прогрітим шаром). У зоні прогріву тепловиділенням від хімічної реакції можна знехтувати. Прогрів суміші в цій зоні від Т = Т 0 до температур, кілька більш низьких, ніж Т b, відбувається за рахунок тепла, що надходить із зони реакції. Розмір зони прогріву набагато перевищує розмір зони реакції.
Тоді рівняння (1.16) приймає вигляд
Введемо температуру Т r, відповідну кордоні між зонами прогріву і реакції. Температура Т r має в певній мірі умовний сенс, оскільки зважаючи безперервної залежності швидкості реакції від температури точної межі між зонами реакції і прогрівання, звичайно не є.
У зоні прогріву, тобто в області температур Т 0
Інтегруючи (1.19), отримаємо
Таким чином, в координатах q - T (тепловий потік - температура) зоні прогріву відповідає прямолінійний ділянку кривої q (T) з кутом нахилу, пропорційним швидкості горіння m. Рішення (1.20) показано на рис. 2 прямою лінією 2.
Рис 2.Види залежності теплового потоку q від температури Т в однозонної хвилі горіння у випадку вузької зони реакції:
|
q |
T 0 |
T b |
C p m (T b-T 0) |
3 |
2 |
1 |
T |
Для перебування залежності Т від координати x в зоні прогріву проінтегруємо (1.20) по x з урахуванням визначення q по (1.17) (для простоти теплофізичні характеристики суміші будемо при цьому вважати постійними). Інтегрування дає:
де через const позначена постійна інтегрування. Величина входить в показник
експоненти, має розмірність довжини і називається товщиною прогрітого шару (
Оскільки основна частина одностадійної хвилі горіння з вузькою реакції припадає на прогрітий шар, то величина
Інтегральна крива рівняння (1.18) у випадку вузької зони реакції якісно зображена на рис 2 (крива 1). Лінійний ріст в зоні прогріву змінюється різким падінням у вузькій зоні реакції (q = 0 при T = T b).
Можна показати, що в зоні реакції мало другий доданок в (1.18) (у середньому по зоні реакції порядок величини відносини другого доданка до першого становить (Т-Т b) / (T b - T 0). Нехтуючи другим доданком у (1.18) та інтегруючи, отримаємо для зони реакції:
Залежність q (T), (1.23) показана на рис 2 кривої 3.Поскольку за межами зони реакції Ф (Т, а i) дуже мала, то величина інтеграла (1.23) практично перестає залежати від нижньої межі, і крива 3 насичується в області низьких температур. Тому для того, щоб оцінити за (1.23) значення q на кордоні між зонами прогріву і реакції можна як нижньої межі інтегрування вибрати будь-яке значення Т <Т r, зокрема Т = Т 0. Сращівая (1.20) і (1.23) (через вузькість зони реакції для обчислення значення q на кордоні зон прогріву і реакції в (1.20) можна наближено прийняти Т ≈ Т b), отримаємо основну формулу для швидкості горіння в наближенні вузької зони реакції:
Підкреслимо, що величина інтеграла (1.24) не залежить (в розглянутому наближенні) від нижньої межі інтегрування, оскільки Ф (Т, a i) помітно відрізняється від нуля тільки в області високих температур поблизу температури горіння Т b [5].
1.1.2 Займання газових сумішей і швидкість поширення полум'я.
Для того, щоб могли протікати реакції горіння, необхідно створити умови для займання суміші палива і окислювача.
Запалення може бути мимовільним і вимушеним. Під самозаймання розуміється таке прогресуюче самоускоренія хімічної реакції, в результаті якого повільно протікає в початковій стадії процес досягає великих швидкостей і на завершальній стадії протікає миттєво.
Вимушене займання (запалювання) обумовлено внесенням до суміш, що реагує джерела теплоти, температура якого вище її температури запалення. Газоповітряна суміш, не займисті при низькій температурі, може спалахнути при підвищеній температурі, коли створюються сприятливі умови для виникнення активних центрів в результаті втрати стійкості складних вихідних молекул речовин.
Процес запалення характеризується тим, що є певні межі (межі), поза якими займання не настає ні за яких умов. Відомо, що повітряні суміші спалахують тільки в тому випадку, коли вміст газу в повітрі знаходиться в певних (для кожного газу) межах. При незначному вмісті газу кількість теплоти, що виділилася при горінні, недостатньо для доведення сусідніх шарів суміші до температури запалення, тобто для поширення полум'я. Те ж спостерігається і при дуже великому вмісті газу в газоповітряної суміші. Недолік кисню повітря, що йде на горіння, призводить до зниження температурного рівня, в результаті чого сусідні шари суміші не нагріваються до температури запалення. Цим двом випадкам відповідають нижній і верхній межі займистості. Для метану нижня межа займистості в повітрі становить 5,3%, верхній-14, 0%. Суміш метану з киснем: нижня межа 5,1%, а верхній 61%. Тому крім перемішування газу з повітрям у певних пропорціях повинні бути створені початкові умови для запалення суміші.
Температура займання газу залежить від ряду факторів, у тому числі від змісту пального газу в газоповітряної суміші, тиску, способу нагрівання суміші і т.д., і тому не є однозначним параметром. Температура займання метану в повітрі становить від 545 до 850 о С.
У практиці зустрічаються два способи займання горючих сумішей: самозаймання і запалювання. При самозайманні весь обсяг горючої газоповітряної суміші поступово шляхом підведення теплоти або підвищення тиску доводиться до температури запалення, після чого суміш запалала вже без зовнішнього теплового впливу. У техніці широко застосовується другий спосіб, іменований запалюванням. При цьому способі не потрібно нагрівати всю газоповітряну суміш до температури запалення, досить запалити холодну суміш в одній точці об'єму яких-небудь високотемпературним джерелом (іскра, розжарене тіло, чергове полум'я і т.д.). У результаті займання передається на весь об'єм суміші мимовільно шляхом поширення полум'я відбувається не миттєво, а з певною просторовою швидкістю. Ця швидкість називається швидкістю поширення полум'я в газоповітряної суміші і є найважливішою характеристикою, що визначає умови перебігу та стабілізації горіння.
Межі запалення газоповітряних сумішей розширюються в підвищенням температури, вплив же тиску носить більш складний характер. Підвищення тиску вище атмосферного для деяких сумішей (наприклад, водню з повітрям) звужує межі запалення, а для інших (суміш метану з повітрям) розширює. При тиску нижче атмосферного верхній і нижній межі зближуються, тобто концентраційні межі запалення звужуються.
Умовами здійснення вимушеного займання є: наявність ефективного джерела запалювання і здатність утворився фронту полум'я мимовільно переміщатися (розповсюджуватися) в обсязі газоповітряної суміші. Цей процес носить назву поширення полум'я.
Розрізняють два режими стаціонарного поширення полум'я: в спочиваючої або ламінарно рухомому середовищі і в турбулентному потоці. Перший носить назву нормального поширення полум'я, а другий - турбулентного.
1.2 Ламінарний полум'я в пилях.
Аналіз проблеми ламінарного полум'я в газосуспензії грунтується на підходах, розвинених стосовно до горіння газофазних систем [2] і враховує цілий ряд властивих суспензіями особливостей. Це, в першу чергу-відмінності в температурах і швидкостях конденсованої та газової компонент, закономірності займання і горіння частинок у хвилі горіння. Вказані особливості обумовлюють існування в газосуспензії більш широких, у порівнянні з газами, фронтів горіння і наявність значних радіаційних потоків.
У зв'язку з цим, з нашої точки зору, принципово важливими для ламінарного режиму є взаємопов'язані питання про механізм передачі тепла в предпламенную зону і про можливість використання стосовно газосуспензії поняття нормальної (фундаментальної) швидкості полум'я. Нормальна швидкість полум'я визначає обсяг горючої суміші, що надходить в одиницю часу на одиницю поверхні фронту полум'я і у випадку викривлених фронтів характеризує швидкість переміщення фронту полум'я по нормалі до його поверхні. Для газосуспензії введення нормальної швидкості виправдано в тому випадку, коли ширина предпламенной зони l n і ширина зони горіння l r = v
Таким чином, стосовно до газозвесям частинок мова може йти про співвідношення кондуктивного потоку з зони горіння та радіаційного потоку від зони горіння і від зони високотемпературних конденсованих продуктів згоряння. Практично завдання має вирішуватися двома шляхами: 1) прямих вимірів кондуктивного та радіаційного потоків, що виходять із зони горіння; 2) визначенням функціональної залежності швидкості полум'я від параметрів аеровзвесі (розміру часток і концентрації твердої фази) в максимально можливому діапазоні їх значень і в різних експериментальних умовах .
Теоретичні дослідження горіння газосуспензії грунтуються на добре розвинених моделях горіння одиночних крапель і часток (починаючи з робіт Г. А. Варшавського і Д. Срезневського). У загальному випадку прогрівання частинок до температури запалення у хвилі горіння здійснюється спільною дією кондуктивного, конвективного і радіаційного потоків тепла. Однак, доцільний роздільний облік кожного із зазначених складових, з тим, щоб надалі, грунтуючись на експериментальних даних, виявити область переважання того або іншого механізму теплоперадачі.
Кондуктивний механізм передбачає, що прогрів суспензії здійснюється молекулярної теплопровідністю. Перші теоретичні роботи в цій області виконані О. І. Лейпунським [10] і Ф. Вільямсом [11]. Так, в [10], у припущенні, що швидкість горіння чорного пороху визначається горінням виносяться з поверхні вугільних частинок, отримано вираз для швидкості полум'я, де до - коефіцієнт температуропровідності газу,
Незважаючи на простоту, (1.25) передає всі основні особливості кондуктивного механізму хвилі горіння. Дійсно, у разі дифузійного режиму горіння частинок (
Радіаційний механізм. Наявність високотемпературних палаючих частинок і продуктів їх згоряння в зоні горіння (або в послепламенной зоні), а також висока поглощательная здатність суспензії в зоні прогріву, можуть зумовити істотну роль процесів радіаційного переносу в явищах поширення фронту горіння в газосуспензії.
Загальні риси радіаційного механізму поширення полум'я передають наступні прості оцінки, проведені В. Нуссельта [12]. При стаціонарному поширення полум'я променистий потік від суцільного фронту горіння з ефективною температурою Т еф за час dt дорівнює
тут - З об - об'ємна теплоємність суміші. Звідки
А залежність від d реалізується тільки через T B (d), тобто для магнію v повинна була б зростати з ростом d (оскільки Т в зменшується), для алюмінію - навпаки, зменшуватися або залишатися незмінною.
Конвективний механізм передбачає, що перенесення тепла з зони горіння в предпламенную зону виробляється в основному рухомими газоподібними продуктами згоряння. Цей режим може реалізовуватися при поширенні полум'я від закритого кінця реакційного судини і в хмарах газосуспензії. Необхідними умовами його виникнення є: істотне газовиділення при горінні частинок, теплове розширення продуктів згоряння в напрямку руху фронту полум'я і відмінність у швидкостях руху частинок і газу.
Таким чином, теоретично можливі механізми поширення полум'я по газосуспензії досить докладно вивчені. Разом з тим, на нашу думку, стосовно завдань хвильового горіння конкретних газосуспензії, враховуючи неповноту (чи обмежений характер) інформації про термокінетіческіх параметрах системи, оптико-спектральних характеристиках початкових частинок і продуктів згоряння, можливі зміни гідродинамічних режимів, застосування суворих постановок завдань у рамках механіки багатофазних потоків має скоріше ілюстративний характер, тобто передбачає отримання не стільки кількісної скільки якісної інформації про залежність швидкості полум'я від параметрів суспензії.
Природно, вибір тієї чи іншої моделі ламінарного полум'я стосовно до конкретного типу суспензії і апаратурним умов може здійснюватися тільки шляхом порівняння з відповідними дослідними даними.
Нормальна швидкість полум'я визначається із системи диференціальних рівнянь, що описують динаміку прогріву газового і твердого компонентів у предпламенной зоні (розглядається плоский стаціонарний фронт полум'я, що поширюється в нескінченному просторі горючої газосуспензії)
Рівняння (1.25) описує прогрів часток (індекс s відноситься до часток) з урахуванням радіаційного потоку q 0, що надходить із зони продуктів згоряння, і можливого руху частинок щодо газу v и; п = 6 В /
Умови на холодній кордоні
На кордоні зони прогріву і горіння (х = 0) в якості граничного умови запишемо рівняння теплового балансу між зонами прогріву і реакції
Тут T i і T si - температура газу та часток у точці запалення,
де
З (1.31) легко отримати граничні вирази для чисто кондуктивного та радіаційного механізмів горіння. Вважаючи А = 0 (q 0 = 0) і v s = 0, маємо для кондуктивного механізму
Нехтуючи теплопровідністю (
1.3 Поширення полум'я в гібридних сумішах.
У роботі [4] досліджено поширення фронту горіння по газосуспензії, в якій екзотермічні хімічні реакції йдуть у газовій фазі і на поверхні частинок дисперсної фази з одним з компонентів газової фази. Такі процеси, зокрема, відбуваються при горінні метаноповітряної суміші з завислими в ній частками вугільного пилу.
Сформульовано фізико-математична модель розповсюдження полум'я по газосуспензії, що складалася із суміші газів (окислювача, пального та інертного) і частинок конденсованої речовини, гетерогенно реагують з окислювачем. На основі чисельного аналізу отримано залежності швидкості розповсюдження полум'я від параметрів, що характеризують масову концентрацію частинок, їх розмір, енергію активації гетерогенної реакції на поверхні частинок, тепловий ефект гетерогенної реакції і масообмін частинок. У залежності від співвідношення параметрів дисперсної фази швидкість поширення полум'я в такому середовищі може збільшуватися в кілька разів у порівнянні зі швидкістю полум'я в незапиленому газової суміші або зменшуватися, і тоді вплив часток аналогічно впливу інертної дисперсної фази.
Розглядається полубесконечной газовзвесь, що складається з суміші газів (окислювача, пального та інертного), у якій рівномірно зважені дрібні частинки речовини, здатного гетерогенно реагувати з одним з компонентів газової суміші. Передбачається, що реакція на поверхні частинок йде з окислювачем; газодісперсная суміш нерухома; частинки мають однаковий розмір і сферичну форму; теплообмін між частинками і газом відбувається за законом Ньютона; швидкість хімічних реакцій в газі і на поверхні частинок від температури за законом Арреніуса; продуктами гетерогенної реакції на частинках є гази; всі хімічні реакції йдуть без зростання обсягу; термічним розширенням газової суміші нехтуємо; на кордоні області х = 0 розташоване джерело займання (гаряча стінка), а газовзвесь розташована на відстані l від гарячої стінки.
Математична модель горіння такої суміші побудована на основі теплодіффузіонной моделі горіння газів [2], доповненої рівняннями енергії та вигоряння дисперсної фази з урахуванням міжфазного теплового масового взаємодії. Подібні моделі, що враховують двухтемпературность середовища, успішно застосовували для моделювання самозаймання [13] і запалювання газосуспензії [14], для дослідження питань пожежогасіння та огнепрегражденія [15]. З урахуванням зроблених допущень рівняння, що описують процеси в такій суміші, мають такий вигляд: рівняння енергії газової фази-
рівняння енергії частинки-
рівняння збереження маси пального та окислювача в газовій фазі-
(1.34)
рівняння зміни маси частинки-
рівняння збереження маси середовища-
(1.37)
Початкові умови:
граничні умови:
Тут t - час; х - координата, Т - температура; ρ-щільність; с - питома теплоємність; Qp g, 0-теплота хімічної реакції в газі, q - на поверхні частинок; Е - енергія активації хімічної реакції; k 0, k 0, k - предекспоненціальние множники в законі Арреніуса для гомогенної та гетерогенної реакцій; m - маса частинки; N - число частинок в одиниці об'єму; λ, α, β m, D - коефіцієнти теплопровідності, теплообміну, масообміну, дифузії; R - універсальна газова постійна; Y 1, Y 2 - концентрації пального та окислювача в газовій фазі ; Nu D - дифузійне число Нуссельта; a f - стехіометричний коефіцієнт. Індекси: 1 - горючий газ, 2 - окислювач, in - інертна частина вихідної газової суміші та продукти горіння, g - газова фаза, k-дисперсна фаза, 0 - початкові умови.
Таким чином, побудована математична модель горіння газосуспензії, що складається суміші газоподібного окислювача і пального і зважених у ній часток, гетерогенно реагують з газоподібним окислювачем. Проведене чисельне дослідження впливу параметрів дисперсної фази на стаціонарну швидкість поширення полум'я по газосуспензії показало, що в залежності від співвідношення параметрів газової та дисперсної фаз можливі випадки, коли наявність хімічно активної дисперсної фази збільшує швидкість поширення хвилі горіння в кілька разів у порівнянні зі швидкістю фронту горіння в чистої газової суміші. Це може бути причиною переходу горіння такої суміші в детонацію. При деяких співвідношеннях параметрів дисперсної фази її вплив аналогічно впливу інертної дисперсної фази.
Постановка завдання.
Виходячи з вищевикладеного, в нашій роботі ставляться наступні цілі:
1. Модифікувати установку з вивчення розподілу полум'я в пилях для дослідження процесів горіння гібридних сумішей метан-повітря-вугілля.
2. Провести досліди з різними концентраційними співвідношеннями метану та вугілля.
3. Зробити висновки про роль вугілля (як екзотермічної або інертної добавки) в процесах горіння таких гібридних сумішей.