Экспериментальное исследование зажигания волн фильтрационного горения газа открытым пламенем при различных условиях внешнего теплообмена

Манжос Евгений Витальевич; Какуткина Наталья Александровна; Коржавин Алексей Анатольевич; Вьюн Александр Васильевич

УДК 536.46

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЖИГАНИЯ

ВОЛН ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ГАЗА ОТКРЫТЫМ ПЛАМЕНЕМ

ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УСЛОВИЯХ ВНЕШНЕГО ТЕПЛООБМЕНА

Евгений Витальевич Манжос

Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, ведущий инженер, тел. (383)333-22-96, e-mail: eugen.manzhos@kinetics.nsc.ru

Наталья Александровна Какуткина

Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского 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: kktk@kinetics.nsc.ru

Алексей Анатольевич Коржавин

Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского 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: korzh@kinetics.nsc.ru

Александр Васильевич Вьюн

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики

Проведено экспериментальное исследование зажигания волны фильтрационного горения газа в пористой среде пламенем, стабилизированным на ее поверхности, при различных условиях внешнего теплообмена. Показано наличие верхнего и нижнего пределов зажигания по скорости газа для конкретной газовой смеси и пористой среды. Подтверждено 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 WAVE WITH OPEN FLAME AT DIFFERENT CONDITIONS OF EXTERNAL HEAT EXCHANGE

Evgeny V. Manzhos

Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, principal engineer, tel. (383)333-22-96, e-mail: eugen.manzhos @kinetics.nsc.ru

Nataliya A. Kakutkina

Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, D. Sc., academic secretary, tel. (383)333-22-96, e-mail: kktk@kinetics.nsc.ru

Alexei A. Korzhavin

Voevodsky Institute of Chemical Kinetics and Combustion, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, D. Sc., head of laboratory of gas combustion chemistry and physics, tel. (383)333-22-96, e-mail: korzh@kinetics.nsc.ru

Alexandr V. V'yun

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D.

An experimental investigation was carried out for ignition of filtration combustion wave in a porous medium by gas flame stabilized on the surface of the porous medium at different conditions of external heat exchange. It is shown that there are upper and lower limits of ignition on gas velocity for a specific gas mixture and porous medium. An accordance of the theoretical models to the processes of ignition and combustion of gas in a porous medium is established.

Key words: filtration combustion, gas combustion, ignition.

Зажигание, т.е. возникновение волны стационарно движущегося фильтрационного горения (ФГ) горючего газа в инертной пористой среде является одной из ключевых проблем понимания процесса ФГ в пористых средах. Изучение данного явления вызвано необходимостью исследования самого процесса фильтрационного горения газов (ФГГ) - горения газа, движущегося в химически инертной пористой среде, обладающего целым рядом полезных с точки зрения практики свойств [1].

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.

В силу наличия многих параметров, оказывающих влияние на ФГГ, интересным становится численное моделирование процессов горения [2], поскольку оно позволяет оперативно отслеживать изменение характеристик и структуры волн ФГ.

Целью настоящей работы являлось экспериментальное исследование зажигания волн ФГ и сопоставление данных эксперимента с теоретическими зависимостями, полученных численным моделированием в работах [3, 4]. В работе [5] было проведено математическое моделирование зажигания волн ФГГ в пористой среде открытым пламенем. Там же установлено наличие нижнего и верхнего пределов зажигания в зависимости от скорости фильтрации газа.

Эксперимент

Опыты проводились на установке, аналогичной описанной в работе [5]. Установка заполнялась пористой средой - зернистым электрокорундом. Использовалась засыпка со средним размером диаметра зерен 5,11 и 4,08 мм, теп-лофизические характеристики которых приведены в таблице.

Таблица

Теплофизические свойства пористой среды

Свойства Пористая среда (электрокорунд)

Плотность гранул, кг/м3 3900

Теплоемкость, Дж/(кгК) 1000 [6]

Теплопроводность, Вт/(м-К) 3,02 [6]

Средний размер зерна, мм 4,08; 5,01

Пористость 0,56; 0,54

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. 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, что показано на рис. 1.

Рис. 1. Движение волны ФГ. Стадии процесса движения волны ФГ:

1 - зажигание волны ФГ; 2 - начало стационарного движения волны ФГ; 3 - стационарное движение волны ФГ

Распространение волны горения регистрировали с помощью цифровой фотокамеры. Горелка с распространяющейся в ней волной горения автоматически фотографировалась через равные промежутки времени (10 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 [4].

Различные значения коэффициентов внешней теплоотдачи достигались использованием тепловой изоляции (каолиновой ваты) вокруг трубы установки.

Результаты экспериментов График зависимости времени зажигания волны ФГ от скорости подачи исходной газовой смеси для пористой среды со средним диаметром зерен 4,08 мм показан на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость времени зажигания волны ФГ от скорости подачи газовой смеси для пористой среды со средним диаметром зерен 4,08 мм

! ! Вт

1 - коэффициент внешней теплоотдачи а = 0—~—;

м К

1 Вт

2 - коэффициент внешней теплоотдачи а = 250—~—

м К

3 - экспериментальные данные.

На рис. 3 показан аналогичный график зависимости времени зажигания волны ФГ от скорости подачи газовой смеси для пористой среды со средним диаметром зерен 5,11 мм.

Полученные зависимости показывают влияние коэффициента внешней теплоотдачи на время зажигания волны ФГ, а также соответствие теоретической модели процесса зажигания волны ФГ экспериментально наблюдаемому процессу ФГ.

Выводы

1. Проведено экспериментальное исследование зажигания волн ФГ при различных значениях коэффициента внешней теплоотдачи.

2. Экспериментально показано наличие верхнего и нижнего пределов зажигания по скорости газа для конкретной газовой смеси и пористой среды.

3. Установлено соответствие теоретической модели горения газа в пористой среде практическому процессу зажигания и горения волны ФГ.

10 15 20 25

Скорость подачи смеси (см/с)

Рис. 3. Зависимость времени зажигания волны ФГ от скорости подачи газовой смеси для пористой среды со средним диаметром зерен 5,11 мм

! ! Вт

1 - коэффициент внешней теплоотдачи а = 0

2 тг

м К

л л Вт

2 - коэффициент внешней теплоотдачи а = 380—~— ;

м К

3 - экспериментальные данные при использовании тепловой изоляции;

1 Вт

4 - коэффициент внешней теплоотдачи а = 480—~— ;

м К

5 - экспериментальные данные без использования тепловой изоляции.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Футько С.И. Химия фильтрационного горения газов / С.И. Футько, С.А. Жданок. -Мн.: Бел. Навука, 2004. - 319 с.

2. Trends in modeling of porous media combustion / M. Abdul Mujeebu, M. Zulkifly Abdullah, A.A. Mohamad, M.Z. Abu Bakar // Progress in Energy and Combustion Science. - 2010. -Vol. 36.

3. Лаевский Ю.М., Бабкин В.С. Фильтрационное горение газа Распространение тепловых волн в гетерогенных средах // под ред. Ю.Ш. Матрос. Новосибирск: Наука, 1988

4. Инициирование горения газа в пористой среде внешним источником / Н.А. Какут-кина, А.А. Коржавин, Е.В. Манжос, Д.А. Рычков, А.В. Вьюн // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IX Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. "Сиб0птика-2013". - Новосибирск. СГГА, 2013, Т. 2. - С. 189-196.

5. Экспериментальное исследование зажигания волнфильтрационного горения газа открытым пламенем / Е.В. Манжос, Н.А. Какуткина, А.А. Коржавин, А.В. Вьюн // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2014. X Междунар. науч. конгр.: Междунар. науч. конф. "Сиб0птика-2014". - Новосибирск. СГГА, 2014, Т. 5, ч. 2. - С. 145-151.

6. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов. Справочник. М.: ФИЗМАТГИЗ., 1959. - 356 c.