CC BY
60
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ
ВОЛН ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ГАЗА ОТКРЫТЫМ ПЛАМЕНЕМ
Евгений Витальевич Манжос
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, ведущий инженер, тел. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]
Наталья Александровна Какуткина
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ученый секретарь, тел. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]
Алексей Анатольевич Коржавин
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, доктор физико-математических наук, зав. лабораторией физики и химии горения газов, тел. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]
Александр Васильевич Вьюн
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры специальных устройств и технологий, тел. (383)361-07-31
Проведено экспериментальное исследование зажигания волн фильтрационного горения газа в пористой среде пламенем, стабилизированным на ее поверхности. Показано наличие верхнего и нижнего пределов зажигания по скорости газа для конкретной газовой смеси и пористой среды. Установлено соответствие теоретической модели процессу зажигания и горения газа в пористой среде.
Ключевые слова: фильтрационное горение, горение газа, зажигание.
EXPERIMENTAL STUDY OF IGNITION
OF FILTRATION COMBUSTION WAVES WITH OPEN FLAME
Evgeny V. Manzhos
Institute of Chemical Kinetics & Combustion, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, principal engineer, tel. (383)333-22-96, e-mail: eugen.manzhos @kinetics.nsc.ru
Nataliya A. Kakutkina
Institute of Chemical Kinetics & Combustion, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, Dr. of Sci., academic secretary, tel. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]
Alexei A. Korzhavin
Institute of Chemical Kinetics & Combustion, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, Dr. of Sci., head of laboratory of gas combustion chemistry and physics, tel. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]
Alexandr V. V’yun
Siberian State Geodesic Academy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo, Ph. D., docent of Special devices and technologies, tel. (383)361-07-31
An experimental investigation was carried out for ignition of filtration combustion waves in a porous medium by gas flame stabilized on the surface of the porous medium. It was shown the presence of the upper and lower limit of ignition against the gas velocity for a specific gas mixture and a porous medium. It is established accordance of the theoretical model to the processes of ignition and combustion of gas in a porous medium.
Key word: filtration combustion, gas combustion, ignition.
Фильтрационное горение газов (ФГГ) - горение газа, движущегося в химически инертной пористой среде, обладающее целым рядом полезных с точки зрения практики свойств. Тепло, накапливаемое пористой средой и его участие в процессе горения, позволяет сжигать низкокалорийные газовые смеси [1], которые не горят в обычных условиях. Тепловая инерционность пористой среды обуславливает устойчивость горения, а зависимость характеристик горения от параметров пористой среды и скорости течения газа предоставляет широкие возможности для управления процессом горения.
Отмеченные свойства вызывают необходимость практических разработок устройств на основе ФГГ. Горелочные устройства на основе ФГГ могут быть выполнены в варианте стабилизированной зоны горения [2, 3] или в варианте бегущей волны [4]. Стабилизация зоны горения может быть достигнута при использовании сферических или цилиндрических волн горения, обладающих свойством автостабилизации [5-7]. Дополнительно может быть предложен способ стабилизации, заключающийся в использовании нескольких слоев пористых сред с различными физикохимическими свойствами [2]. Реализация этого способа требует исследования поведения волн ФГГ в слоистых системах. Исследование фильтрационного горения интересно с точки зрения инициирования волн ФГГ и наряду с работами [8-9], описывающими процессы горения и принципы проектирования, играет роль при конструировании огнепреградителей.
Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование зажигания волн ФГГ и сопоставление данных эксперимента с теоретическими зависимостями, представленными в работе [10]. В этой работе было проведено математическое моделирование зажигания волн ФГГ в пористой среде пламенем, стабилизированным на ее поверхности. Установлено наличие нижнего и верхнего пределов зажигания в зависимости от скорости фильтрации газа. Получены зависимости времени зажигания от параметров пористой среды и дана их интерпретация.
Эксперимент
Опыты проводились на установке, схема которой приведена на рис. 1.
Установка для исследования ФГГ состоит из горелки и системы регистрации характеристик волны горения. Горелка представляет собой вертикальную кварцевую трубу длиной 500 мм с толщиной стенки 2 мм и внешним диаметром 50 мм. Труба заполнялась пористой средой - зернистым
электрокорундом. Использовалась засыпка с размером зерен 4-5 мм, теплофизические характеристики которой приведены в табл. 1.
{ХЬ 11
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1 - кварцевая труба; 2 - зона горения; 3 - пористая среда; 4 - огнепреградитель; 5 - web-камера; 6 - компьютер; 7 - линейка; 8 - манометры; 9 - расходомеры;
10, 11 - вход горючего газа и воздуха
Таблица 1
Теплофизические свойства пористой среды
Свойства Пористая среда (электрокорунд)
"3 Плотность гранул, кг/м 3500
Теплоемкость, Дж/(кг-К) 795 [11]
Теплопроводность, Вт/(м-К) 2,1 [11]
Средний размер зерна, мм 4 - 5
Пористость 0,43
Горючие смеси составлялись по расходам горючего газа и воздуха. Расходы измерялись образцовыми ротаметрами. Газ с воздухом смешивался до входа в горелку в месте соединения подводов газа и воздуха и подавался в трубу снизу. Линейная скорость подачи газовой смеси определялась с учетом пористости инертной среды. Горючая смесь зажигалась в верхней части трубы открытым пламенем. Пламя прогревало верхний слой пористой среды, формируя волну горения. Визуально волна горения наблюдалась как плоская, ярко светящаяся зона, перемещающаяся по пористой среде.
Распространение волны горения регистрировали с помощью цифровой Web-камеры, соединенной с компьютером. Г орелка с распространяющейся в ней волной горения автоматически фотографировалась через равные промежутки времени (60 с) с сохранением изображений в памяти компьютера. Полученные снимки обрабатывались в прикладной программе, позволяющей определять координаты объектов на изображениях. Для
определения координат волны горения рядом с горелкой устанавливалась масштабная линейка. В результате обработки получались зависимости координаты фронта волны горения от времени.
В качестве горючего газа использовался природный газ, содержащий 96% метана, 1,5% этана, 0,7% пропана, 0,3% бутана, 0,04% углекислого газа и 1,0% азота Горючие смеси составлялись по расходам горючего газа и воздуха. Выдерживались стехиометрические смеси горючего газа и воздуха, наиболее близкие к данным расчетов [10].
Результаты экспериментов
Исходной информацией для экспериментального исследования являлась зависимость времени зажигания волны ФГГ от линейной скорости подачи газовой смеси, показанная на рис. 2. Данная зависимость была получена в результате численного моделирования системы уравнений, указанных в работах [1] и [10]. Расчеты проводились для адиабатического случая горения газа, то есть без учета теплообмена с окружающей средой.
Рис. 2. Зависимость времени зажигания волны ФГГ (^ёП) от скорости подачи газовой смеси (у, м/с). Адиабатический случай. Диаметр зерна 4,7 мм
Пример определения характеристик процесса горения во время проведения практического эксперимента показан на рис. 3. Как видно при анализе данных существует излом зависимости координаты фронта пламени от времени горения. Данные эксперимента были аппроксимированы прямыми, полученными интерполяцией по методу наименьших квадратов.
Было принято считать временем входа фронта пламени в пористую среду время, откладываемое до пересечения прямых, а скоростью - наклон второй прямой. Таким образом, на графике точками в виде треугольников показаны координаты фронта пламени при входе в пористую среду и
формирование волны горения ФГГ, круглыми точками - координаты фронта пламени в сформировавшейся волне горения.
Рис. 3. Пример определения характеристик процесса горения. Время зажигания - 21 мин; скорость волны горения -(168,2-156,2)/(40-30)=1,2 мм/мин; скорость подачи смеси - 0,41 м/с
После обработки данных экспериментов, согласно приведенному выше примеру и обработки результатов были получены зависимости, показанные на рис. 4.
Рис. 4. Зависимости времени зажигания и скорости волны ФГГ от скорости подачи газовой смеси.
• - время зажигания смеси (мин); ■ - скорость волны ФГГ (мм/мин)
Точками со стрелками показаны значения времени зажигания, которые не удалось установить точно, поскольку входа волны горения в пористую
среду не произошло и эксперимент по прошествии 70 минут был остановлен. Данные значения в этих экспериментах могут быть интерпретированы как пределы зажигания волны горения по скорости газа для данного состава смеси и размера зерен пористой среды.
Как видим, экспериментально подтверждаются сопоставимые с теоретическими пределы распространения волн ФГГ в зависимости от скорости подачи газовой смеси - верхний и нижний по скорости подачи газовой смеси.
Зависимости времени входа пламени от расхода газовой смеси, а, следовательно, и скорости подачи газовой смеси имеют U- образную форму, что соответствует расчетным данным, но поскольку расчеты выполнены для случая адиабатического горения, наблюдается расхождение результатов по скоростям подачи газовой смеси и времени зажигания волны ФГГ. В связи с зависимостями процессов зажигания и распространения волн ФГГ от многих параметров для уточнения теоретической модели необходимы дальнейшие эксперименты.
Выводы
1. Проведено экспериментальное исследование зажигания волн.
2. Экспериментально показано наличие верхнего и нижнего пределов зажигания по скорости газа для конкретной газовой смеси и пористой среды.
3. Установлено качественное соответствие теоретической модели горения газа в пористой среде практическому процессу зажигания и горения волны ФГГ.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лаевский Ю. М., Бабкин В. С. Фильтрационное горение газа // Распространение тепловых волн в гетерогенных средах // под ред. Ю. Ш. Матрос. - Новосибирск: Наука, 1988.
2. Takeno T., Sato K. A theoretical and experimental study of an excess enthalpy flame // Combustion in Reactive Systems. Progress in Astronautics and Aeronautics; V. 76. 1981.
3. Какуткина Н. А., Боровых И. В., Бабкин В. С. Способ сжигания газовых и паровых смесей: Пат. 2100695, 1997.
4. Hoffman J. G., Echigo R., Yoshida H., Tada S. Experimental study on combustion in porous media with a reciprocating flow system // Combust. Flame. 1997, V. 111. P. 32-46.
5. Какуткина Н. А., Бабкин В. С. Закономерности распространения сферических волн фильтрационного горения газа в инертных пористых средах // Физика горения и взрыва. -1999. - Т. 35, № 1. - С. 60-66.
6. Какуткина Н. А., Бабкин В. С. Характеристики стационарных сферических волн горения газа в инертных пористых средах // Физика горения и взрыва. - 1998. - Т. 34, № 2.
С. 9-19.
7. Futko S. I., Dobrego K. V., Zhdanok S. A. Flame localization inside axis-symmetric cylindrical and spherical porous media burners // Heat and Mass Transfer. - 1998. - V. 41, № 22. -P. 3647-3655.
8. Какуткина Н. А., Коржавин А. А., Намятов И. Г., Рычков А. Д. Закономерности распространения пламени через насадку коммуникационных огнепреградителей // Физика горения и взрыва. - 2007. - Т. 43, № 4. - С. 23-38.
9. Стрижевский И. И., Заказнов В. Ф. Промышленные огнепреградители. - М.: Химия, 1974.
10. Инициирование горения газа в пористой среде внешним источником / Н. А. Какуткина и др. // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2013» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 15-26 апреля 2013 г.). - Новосибирск: СГГА, 2013. Т. 2. - С. 189-196.
11. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов: справочник. - М.: ФИЗМАТГИЗ, 1959.
© Е. В. Манжос, Н. А. Какуткина, А. А. Коржавин, А. В. Вьюн, 2014
