Факторы обеспечения безопасности движения горючих газовых смесей через инертную пористую среду Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 536.46

ФАКТОРЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ДВИЖЕНИЯ ГОРЮЧИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЕЙ ЧЕРЕЗ ИНЕРТНУЮ ПОРИСТУЮ СРЕДУ

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

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Н овоси-бирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент

Проведено экспериментальное исследование горения газа в условиях фильтрации, т.е. при движении газовой смеси через инертную пористую среду. Установлены факторы, определяющие характер фильтрационного горения газа. Выявлено влияние скорости подачи газовой смеси, теплопотерь от пористой среды, размера зерна пористой среды на характер горения и движения волн фильтрационного горения.

Ключевые слова: фильтрационное горение, горение газа.

THE FACTORS PROVIDING SAFETY OF MOTION OF COMBUSTIBLE GAS MIXTURE THROUGH AN INERT POROUS MEDIUM

Evgeny V. Manzhos

Institute of Chemical Kinetics & Combustion, Novosibirsk 630090, 3 Institutskaya St., principal engineer, tel. (383)333-22-96, e-mail: eugen.manzhos @kinetics.nsc.ru

Nataliya A. Kakutkina

Institute of Chemical Kinetics & Combustion, Novosibirsk 630090, 3 Institutskaya St., D. Sc., academic secretary, tel. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]

Alexei A. Korzhavin

Institute of Chemical Kinetics & Combustion, Novosibirsk 630090, 3 Institutskaya St., D. Sc., Head of laboratory of gas combustion chemistry and physics, tel. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]

Alexandr V. V'yun

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

There was carried out an experimental study of gas combustion in the filtration conditions, that is, under motion of combustible gas mixture through an inert porous medium. It was established the factors that determine the nature of filtration gas combustion. The effects of the gas mixture feed rate, heat loss from the porous medium, the grain size of the porous medium on the nature of combustion and movement of the waves of filtration combustion were revealed.

Key words: filtration combustion, gas combustion.

Одна из проблем фильтрационного горения газа (ФГГ) - горения горючей газовой смеси при ее движении через пористую среду - это проблема формирования волны ФГГ.

Эта проблема возникает при использовании пористых огнепреградителей при фильтрации через них горючего газа, например, сбросных газов угольных шахт [1]. В этом случае формирование волны ФГГ при случайном воспламенении газа может привести к прогоранию огнепреградителя и распространении пламени в защищаемый объем. В горелках типа реверс-процесса формирование волны ФГГ является штатным режимом работы горелки [2]. В связи с этим необходимо исследование процесса формирования волн ФГГ и знание управляющих параметров и параметрических зависимостей этого процесса.

Проведены экспериментальные исследования фильтрационного горения ме-тано-воздушной газовой смеси в инертной пористой среде.

Экспериментальная установка, методика проведения эксперимента описаны в работе [3].

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

Использовалась засыпка со средним размером диаметра зерен 5,11 и 4,08 мм, теплофизические характеристики которых приведены в таблице. Для зерен со средним диаметром 5,11 мм проводились серии экспериментов с изоляцией пористой среды с помощью каолиновой ваты и без изоляции.

Таблица

Теплофизические свойства пористой среды

Свойства Пористая среда (электрокорунд)

Плотность гранул, кг/м3 3900

Теплоемкость, Дж/(кгК) 1000 [4]

Теплопроводность, Вт/(мК) 3,02 [4]

Средний размер зерна, мм 4,08; 5,01

Пористость, т 0,56; 0,54

В экспериментах определялось время формирования волны ФГГ в зависимости от параметров газового потока и пористой среды. Горение газа инициировалось открытым пламенем, затем пламя входило в пористую среду и распространялось по ней далее с постоянной скоростью навстречу поступающей газовой смеси.

Результаты экспериментов

Полученные при экспериментах результаты представлены на рисунке.

1 -

о -I—|—|-1—'—|—I—|—1-1—I—|—>-1—I-1

10 12 14 16 18 20 22 24

V , см/с

9

Рис. Зависимость времени формирования ^п волны ФГГ от скорости подачи газовой смеси Vg.

1 - средний диаметр зерен 4,08 мм;

2 - средний диаметр зерен 5,11 мм, пористая среда изолирована;

3 - средний диаметр зерен 5,11 мм

На рисунке показаны зависимости времени формирования стационарной волны ФГГ ) от скорости подачи газовой смеси Vg в зависимости от различных условий.

Зависимость времени формирования волны ФГГ от скорости потока газа имеет и - образный характер. При слишком больших и слишком малых значениях скорости газа формирование волны ФГГ не происходит, т.е. можно говорить о наличии пределов по скорости газа.

Сравнение кривых 2 и 3 на рисунке показывает влияние теплопотерь от пористой среды. При снижении потерь тепла (использовании изоляции) происхо-

дит уменьшение времени формирования волны ФГГ и сдвиг границ минимальной и максимальной скорости подачи газовой смеси, при которых возникает волна ФГГ.

Сравнение кривой 1 с кривыми 2 и 3 свидетельствует, что при прочих равных условиях, уменьшение среднего диаметра зерна пористой среды ускоряет инициирование волны ФГГ и расширяет диапазон скоростей, при которых формируется волна ФГГ.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Рычков А.Д. Особенности прогорания пористых ог-непреградителей засыпного и канального типа // Физика горения и взрыва. - 2009. - Т. 45. № 3. - С. 35-43.

2. Numerical Study of Thermoelectric Generation within a Reciprocal Flow Porous Media Burner. Luis Henriquez-Värgas and Pablo Donoso. Journal of Mechanics Engineering and Automation 3 (2013) 367-377.

3. Экспериментальное исследование зажигания волн фильтрационного горения газа открытым пламенем при различных условиях внешнего теплообмена / Е. В. Манжос, Н. А. Какуткина, А. А. Коржавин, А. В. Вьюн // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2016. ХПМеждунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Сиб0птика-2016» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 18-22 апреля 2016 г). - Новосибирск : СГУГиТ, 2016. Т 1. - C. 79-83.

4. Чиркин В. С. Теплофизические свойства материалов. Справочник. - М.: ФИЗМАТГИЗ., 1959.

© Е. В. Манжос, Н. А. Какуткина, А. А. Коржавин, А. В. Вьюн, 2017