CC BY
34
D01:10.12845/bitp.40.4.2015.2
dr hab. inz. Henryk Radomiak, prof. P. Cz.1 mgr inz. Marlena Mazur1 dr hab. inz. Monika Zajemska, prof. P. Cz.1 dr inz. Dorota Musial1
Przyj^ty/Accepted/Принята: 18.02.2015; Zrecenzowany/Reviewed/Рецензирована: 23.11.2015; Opublikowany/Published/Опубликована: 31.12.2015;
Gaszenie plomienia dyfuzyjnego przy pomocy fal akustycznych2
Extinguishing a diffusion flame with the aid of acoustic waves Тушена диффуз^нного пламени с помощью акустических волн
ABSTRAKT
Cel: W artykule przedstawiono mozliwosci wygaszania plomienia dyfuzyjnego za pomocy fal akustycznych. Wyznaczono krytyczn^ wartosc czfstotliwosci oraz graniczn^ moc akustyczn^, przy ktorych zachodzi zjawisko wygaszenia plomienia.
Metody: Na potrzeby realizacji zamierzonego celu niezbfdne bylo skonstruowanie stanowiska umozliwiaj^cego generowanie fal akustycznych w kierunku palnika. Stanowisko wyposazono w generator czfstotliwosci oraz wzmacniacz sygnalu, glosnik o niskim pasmie przewodzenia, falowod, a takze mierniki: napifcia, natfzenia i czfstotliwosci. Pomiaru cisnienia akustycznego w miejscu usytuowania plomienia dokonano za pomocy sondy Culite. Sonda jest skonstruowana na zasadzie mikrofonu z bardzo czul^ membran^, elektrod^ oraz kondensatorem. Zmiana cisnienia w osrodku powoduje minimalne przesunifcie membrany, co w konsekwencji powoduje zmiany w poziomie naladowania kondensatora. Poziom ten jest rejestrowany jako zmiana napifcia przeplywaj^cego przez uklad. Wartosci tego napifcia obserwuje sif na ekranie systemu pomiarowego, co pozwala na przeliczenie ich na wartosci cisnienia, uwzglfdniaj^c zakres pracy systemu pomiarowego. Ponadto wykonano wizualizacjf przebiegu procesu wygaszania plomienia za pomocy aparatu smugowego. Jest to idealna metoda graficznego dokumentowania wynikow badan prowadzonych nad procesami spalania, gdzie niedostateczne oswietlenie wyciemnionego otoczenia nie pozwala na prawidlowe zobrazowanie tradycyjnymi metodami, zas przy otoczeniu oswietlonym zachodzi nieoddanie calej struktury plomienia na zdjfciu, wywolane mocnym swiatlem emitowanym przez plomien.
Wyniki: Przeprowadzone badania dowiodly, ze dla danej wartosci mocy cieplnej plomienia mozliwe jest jego wygaszenie za pomocy szerokiego spektrum czfstotliwosci krytycznej (35 + 155 Hz) oraz poziomu mocy granicznej ponizej 30 W. Zdolnosc gasnicz^ oszacowano, wyznaczaj^c wspolczynnik skutecznosci gaszenia plomienia - dla wartosci 35 + 45 Hz miescila sif ona w przedziale od 35 do 155 Hz. Ponadto wyznaczono graniczn^ wartosc cisnienia akustycznego (zakres 45 + 55 Pa), ponizej ktorej zjawisko wygaszania plomienia bylo praktycznie niezauwazalne.
Wnioski: Przedstawiona metoda gaszenia plomienia umozliwia, poprzez zadzialanie fal^ akustyczn^ o odpowiedniej czfstotliwosci, calkowite wygaszenie plomienia. Fakt ten potwierdzaj^ uzyskane w ramach eksperymentow wyniki, jak rowniez przeprowadzona wi-zualizacja za pomocy aparatu smugowego.
Slowa kluczowe: pozar, gaszenie plomienia, plomien dyfuzyjny, fala akustyczna Typ artykulu: oryginalny artykul naukowy
ABSTRACT
Aim: The paper presents the feasibility of extinguishing a diffusion flame with the aid of acoustic waves. The study includes an assignment of critical frequency values and the acoustic force limit, the point at which a flame is extinguished.
Methods: In order to achieve the desired aim, it was necessary to construct a test stand, to facilitate the generation of acoustic waves in the direction of a burner. The experimental stand was equipped with a frequency generator and amplifier, speaker with a low frequency band, waveguide and voltage strength and frequency meters. Measurement of sound pressure at the flame location was performed using a Culite probe. The probe was constructed on the principle of a microphone, using a very sensitive membrane, electrode and capacitor.
Politechnika Czfstochowska / Czestochowa University of Technology; [email protected];
Autorzy wniesli jednakowy wklad merytoryczny w powstanie artykulu / The authors contributed equally to this article;
D01:10.12845/bitp.40.4.2015.2
Changing the pressure within the probe resulted in a minimal displacement of the membrane, which in turn caused changes to the charge level of the capacitor. This level was recorded as a change in the voltage flowing through the system. The voltage value was revealed on the screen of the measuring device, which allowed for the calculation of pressure values, taking into account the operating range of the measuring device. Additionally, extinguishing of the flame was observed visually with the aid of Schlieren imagery apparatus. This is considered to be an ideal method for graphical recording of research results associated with the combustion processes where insufficient lighting of a dim environment does not allow for proper imaging, using traditional methods. Whereas, in ambient lit conditions it is not possible to reveal the entire structure of the flame because of strong light emitted by the flame.
Results: Studies reveal that for a given value of flame thermal power it is possible to extinguish a flame with the use of a wide spectrum of critical frequency (35 ^ 155 Hz) and force limit level below 30 W. Extinguishing ability was estimated by assigning a flame extinguishing effectiveness ratio; for the value of 35 + 45 Hz it was within the range between 35 to 155 Hz. Additionally, the sound pressure level limit value (range of 45 + 55 Pa) was assigned, below which the flame extinguishing activity was virtually unnoticeable. Conclusions: The described flame extinguishing technique allows for the total extinguishing of flames with the aid of generated sound waves at an appropriate frequency. This is confirmed by results from research experiments and visual observation, using Schlieren imagery apparatus.
Keywords: fire, extinguishing a flame, diffusion flame, acoustic wave Type of article: original scientific article
АННОТАЦИЯ
Цель: Эта статья представляет возможность тушения диффузиoннoго пламени с помощью акустических волн. Oпределенo критичес^ю частотy и предел акустичесюй мощности, при которые возникает явление тушения пламени. Методы: Для того чтобы достичь поставленной цели, необходимо было построить установку для генерации акустических волн в направлении горелки. Установку оборудовано в генератор частоты и усилитель, громкоговоритель с низкой зоной проводимости, волновод и измерительные приборы: напряжения, интенсивности и частоты. Измерение акустического давления в месте расположения пламени было выполнено с использованием зонда Culite. Зонд построен на основе микрофона c очень чувствительнoй мембранoй, электроду и конденсатором. Изменение давления в среде приводит к минимальному смещению мембраны, что следовательно вызывает изменения на уровне заряда конденсатором. Этот уровень записывается как изменение напряжения, проходящего через систему. Значения этого напряжения можно наблюдать на экране измерительной системы, что позволяет пересчитать их на значения давления, принимая во внимание диапазон работы измерительной системы. Кроме того, сделанo визуализацию процессa тушения пламени с помощью Шлирен-аппарата ИАБ-451. Это идеальный метод для использования графической документации результатов исследования, проведенного на процессы горения, где недостаточное освещена затемненнoй среды не позволяет его правильно изображaть традиционными методaми, в то время как для освещеннoй среды на фотографии происходит неполноe изображена всeй структуры пламени, вызванное острым светом, излучаемым пламенем.
Результаты: Исследование показало, что для данной тепловой мощности пламени cуществует возможность его угасания с помощью широкого спектра критической частоты (35 + 155 Гц) и предельного уровня мощности ниже 30 W. Эффективность тушения определена фактором, определяющим эффективность тушения пламени при величине 35 + 45 Гц, была расположена в диапазоне от 35 до 155 Гц. Кроме того, установлен предел звукового давления (диапазон 45 + 55 Па), ниже которого тушение пламени было практически незаметно.
Выводы: Предложенный метод тушения пламени позволяет, при воздействии акустической волны соответствующей частоты, полностью потушить огонь. Этот факт подтверждается результатами экспериментов, а также визуализации, выполненных с помощью тШлирен-аппарата ИАБ-451.
Ключевые слова: огонь, тушить пламя, диффузтонтая пламя, акустическая волна Вид статьи: оригинальная научная статья
1. Wprowadzenie
Juz od wielu lat poszukuje si§ skutecznych sposobów wygaszania pozarów. Mimo prowadzenia w tej dziedzinie badañ na szerok^ skal^, nadal nie przyniosly one oczekiwa-nych rezultatów w postaci nowych metod gaszenia pozarów. Wbrew post^powi nauki i techniki, w chwili obecnej za najskuteczniejszy sposób ochrony przed pozarami uznaje si§ rozs^dne obchodzenie si§ z ogniem, natomiast do ich gaszenia uzywa si§ przewaznie tradycyjnych srodków gas-niczych, w szczególnosci wody [1-3]. Jak wskazuj^ wyniki badañ przeprowadzonych zarówno w kraju [3-7], jak i poza jego granicami [2], [8-11], przyszlosciow^ metod^ walki z ogniem moze byc fala akustyczna.
Istota procesu wygaszania plomienia za pomoc^ fali akustycznej oparta jest na mechanizmie wygaszania plo-mienia za pomoc^ jego rozci^gania [12-13]. Turbulencje
wartosci jednego z parametröw otoczenia, wplywaj^c na wektor pr^dkosci propagacji frontu plomienia, zmieniaj^ jego kierunek, rozci^gaj^c go, co z kolei powoduje zwi^k-szon^ emisj^ ciepla do momentu przekroczenia granicy palnosci [12], [14]. O wplywie dzwi^ku na przebieg procesu spalania swiadcz^ wyniki eksperymentöw prowadzonych juz od 2008 roku przez Agenj Zaawansowanych Obron-nych Projektöw Badawczych DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency). Do badan wykorzystano pod-palone paliwo plynne oraz dwa glosniki ulozone po obu jego stronach. Na zamieszczonym na portalu interneto-wym [2] krötkim filmiku z przebiegu tego eksperymentu widac, ze w momencie odtwarzania dzwi^ku plomien slabnie, a nast^pnie zachodzi zjawisko rozpraszania si§ plomienia, ktöre röwniez wspomaga ugaszenie ognia. Z przeprowadzonych przez DARPA testöw wynika, ze fala dzwi^kowa, poprzez zwi^kszenie pr^dkosci ruchu
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
powietrza na brzegach plomienia, powoduje zmniejszenie obszaru, na którym pozar wyst^puje. Zaobserwowane zja-wisko moze miec istotny wplyw na oslabienie plomienia, a tym samym moze si§ przyczynic do calkowitego jego ugaszenia. Dodatkowym spostrzezeniem podczas prze-prowadzonych przez DARPA testów byl fakt, ze dzwi^k wykorzystany do gaszenia plomienia nie musi byc glosny, ale musi byc odpowiednio modulowany. Swiadcz^ o tym badania przeprowadzone przez W^sierskiego i innych [4]. W swoich badaniach wykazali, ze istotny jest nie tylko do-bór odpowiedniej cz^stotliwosci dzwi^ku podczas gaszenia pozaru, ale równiez sposób skupienia wi^zki na mozliwie najmniejszym obszarze.
Zaproponowana w niniejszym artykule metoda gaszenia plomienia, na obecnym etapie znajomosci tech-nologiil, nie jest mozliwa do zastosowania w przypadku wi^kszych pozarów, zwlaszcza w otwartej przestrzeni.
D01:10.12845/bitp.40.4.2015.2
Moglaby natomiast byc pomocna podczas gaszenia pozarów w zamkni^tych pomieszczeniach, takich jak np. kokpit samolotu [2], a nawet moglaby wspomagac, na zasadzie stalych urz^dzeñ gasniczych, bezpieczeñstwo magazynów, hal przemyslowych, czy zbiorników cieczy palnych [4].
Zamieszczone w niniejszym artykule wybrane badania wygaszania plomienia fal^ akustyczn^ zostaly wykonane na potrzeby realizacji pracy inzynierskiej pod kierunkiem jednego z autorów [15].
2. Stanowisko pomiarowe
W celu wyznaczenia cz^stotliwosci krytycznej, gra-nicznej mocy akustycznej, a takze wizualizacji procesu wygaszania plomienia za pomoc^ aparatu smugowego, skonstruowano stanowisko pomiarowe przedstawione na ryc. 1.
Ryc. 1. Uklad do generacji fali akustycznej: 1 - wzmacniacz, 2 - generator, 3 - mierniki, 4 - falowod, 5 - plomien Fig. 1. Mechanism for generation of acoustic wave: 1 - amplifier, 2 - generator, 3 - gauges, 4 - waveguide, 5 - burner
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Uklad pomiarowy skladal si§ z:
• wzmacniacza Mosfet MDD. 2108M,
• generatora cz^stotliwosci TESLA RC OSCILATOR BM 365U,
• mierników cyfrowych:
- BRYMEN BM805 jako miernik cz^stotliwosci,
- KYORITSU MODEL 1009 jako woltomierz,
• miernika analogowego ГОСТ 10374-82 jako amperomierz,
• glosnika SONY 1-825-378-11,
• tunelu aerodynamicznego o wymiarach l = 0,65 m, ф = 0,07 m,
• rotametrow,
• aparatu smugowego,
• palnika o srednicy dyszy фл = 0,0168 m.
Badania cisnienia akustycznego w miejscu usytuowania plomienia dokonano za pomoc^ sondy Culite.
Istotnym elementem analizy procesu spalania jest wi-zualizacja tego procesu. Podczas realizacji ww. metody badawczej naukowcy czçsto borykaj^ siç z problemem nie-dostatecznego oswietlenia w wyciemnionym otoczeniu. Przy otoczeniu oswietlonym struktura plomienia nie moze
D01:10.12845/bitp.40.4.2015.2
byc oddana na zdjçciu calkowicie ze wzglçdu na wlasne silne swiatlo. Aby wyeliminowac te problemy, zastoso-wano tzw. metodç cieniow^, ktora wykorzystuje zmiany we wspolczynniku zalamania swiatla przy wystçpowaniu zmian gçstosci, co powoduje inny k^t ugiçcia promienia swietlnego.
3. Wyniki i dyskusja
Badania wstçpne przeprowadzono w celu okreslenia mocy podawanej na glosnik. Dla czçstotliwosci z zakresu 35 + 155 Hz przeprowadzono kolejne serie pomiarowe na wybranych czterech poziomach napiçc odniesienia (ryc. 2).
Ryc. 2. Zaleznosc mocy glosnika od cz^stotliwosci Fig. 2. Relationship between loudspeaker's power and frequency Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Z przedstawionych na ryc. 2 przebiegow mocy glosnika w funkcji czçstotliwosci w zakresie od 35 do 155 Hz widac, ze istotny wplyw na wartosc mocy ma napiçcie odniesienia. Najwiçksz^ moc glosnika zaobserwowano dla czçstotliwosci najwiçkszej tj. odpowiednika napiç-cia U0 = 22 V, natomiast najmniejsz^ dla czçstotliwosci U0 = 15 V, tj. najmniejszej z analizowanych czçstotliwosci. Ponadto mozna zauwazyc pewien powtarzaj^cy siç dla wszystkich badanych poziomow napiçcia odniesienia charakter krzywych, a mianowicie: pocz^tkowo moc glosnika
rosnie, osi^gaj^c maksimum dla wartosci cz^stotliwosci rownej 55 Hz, a nast^pnie maleje dla calego przedzialu analizowanej cz^stotliwosci.
Istotnym zagadnieniem jest okreslenie skutecznosci wygaszania plomienia w zaleznosci od odleglosci plasz-czyzny wylotu falowodu od czola plomienia. W tym celu zbadano zaleznosc cisnienia akustycznego od cz§-stotliwosci fali akustycznej w roznych odleglosciach od wylotu falowodu. Wyniki pomiarow przedstawiono na ryc. 3 i 4.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
D01:10.12845/bitp.40.4.2015.2
50
49 48 47 46 45 44
43 ■42 ■41
га Q.
:0,04m, U0=18V :0,04m, U0=20V :0,04m, U0=22V :0,06m, U0=18V :0,06m, U0=20V 0,06m, U0=22V
40
30
40
50
60
70
80
90 100 fk, Hz
110
120
130
140
150
Ryc. 3. Zaleznosc poziomu cisnienia akustycznego od cz^stotliwosci fali, l = 0 i 0,02 m Fic. 3. Relationship between acoustic pressure and wave frequency, l = 0 and 0.02 m Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
160
50
49 48 47 46
ra Q.
s 45 44 43 ■ 42 ■ 41
=0,04m, U0=18V
=0,04m, U0=20V
=0,04m, U0=22V
-e- =0,06m, U0=18V
-Ж- =0,06m, U0=20V
-•- =0,06m, U0=22V
40
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
Ryc. 4. Zaleznosc poziomu cisnienia akustycznego od cz^stotliwosci fali, l = 0,04 i 0,06 m Fig. 4. Relationship between acoustic pressure and wave frequency, l = 0.04 and 0.06 m
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Podczas analizy przedstawionych na ryc. 3 i 4 zaleznosci mozna zauwazyc nieznaczne roznice w wartosci cisnienia
dla kolejnych czçstotliwosci. Podobnie jest z wartosciami cisnienia akustycznego dla roznych poziomow napiçcia
fk, Hz
D01:10.12845/bitp.40.4.2015.2
pocz^tkowego - niezaleznie od tej wartosci, poziom cis-nienia akustycznego jest porownywalny. Roznice mozna dostrzec dopiero miçdzy wartosci^ cisnienia akustycznego dla danej, dowolnie wybranej czçstotliwosci fali i odleglosci od plaszczyzny wylotu tunelu aerodynamicznego. Tenden-cja ta jest wyraznie malej^ca. Dlatego tez w przeprowadza-nych badaniach czçsto wygaszal siç plomien znajduj^cy siç blisko powierzchni wylotu tunelu aerodynamicznego, a niemozliwe stawalo siç ugaszenie tego samego plomienia, oddalonego o pewn^ odleglosc. Moze bye to spowodowane niedostatecznym poziomem turbulencji poziomu cisnie-nia, co nie prowadzilo do wystarczaj^cego rozci^gniçcia plomienia, a nastçpnie jego wygaszenia.
W tabelach 1-4 przedstawiono wartosci czçstotliwosci krytycznej (fk) oraz mocy granicznej (Pg), przy ktorych nast^pilo zjawisko zgaszenia plomienia. Pomiar przepro-wadzono przy stalej wartosci strumienia gazu ( V = 1 001/h) dla wartosci czçstotliwosci w zakresie 35 + 155 Hz, co 5 Hz, w scisle okreslonych odleglosciach od wylotu tunelu
aerodynamicznego, az do war tosci l = 0,065 m. W tabelzch zamieszczono rowniez wspolczynnik skutecznosci wy-gaszania plomienia (k), ktory stanowi porownanie mocy oieplnej plomienia oraz mocy grapicznej. Moc ciepln^ plomienia dyfuzyjnegoobliczono wykorzystuj^c rownanie Simona i Wagnera [8]:
P = QW
rp V
V pl
27,778-10"6 —
,6 J
1 0,01682
3 2
m2 -0,301m
--35-106—-m
W
Pp = 43,74-106—3 m
(1)
gdsie: W° - waotosc opalowa gazu ziemnego, J/m3; Q - natçzenieprze plywu paliwa, m3/s; V t - objçtosc plomienia, m3.
Tabela 1. Wartosci fk, P oraz k dla odleglosci l = 0 m g 0 m
Table 1. The values f., P and k for the distance l
k g
3
fk> Hz U, V I, A P8' W k = P8/Pp *10-4 m3
35 6,77 0,10 0,68 1,55
40 6,99 0,15 1,05 2,40
45 7,94 0,20 1,59 3,64
50 8,16 0,30 2,45 5,60
55 10,74 0,50 5,37 12,28
60 9,52 0,45 4,28 9,79
65 10,16 0,50 5,08 11,61
70 11,56 0,65 7,51 17,17
75 12,89 0,75 9,67 22,11
80 14,59 0,85 12,40 28,35
85 17,15 1,05 18,01 41,18
90 16,63 1,00 16,63 38,02
95 19,72 1,20 23,66 54,09
100 24,85 1,40 34,79 79,54
105 18,35 1,10 20,19 46,16
110 21,87 1,30 28,43 65,00
115 22,25 1,30 28,93 66,14
120 20,07 1,20 24,08 55,05
125 23,23 1,30 30,20 69,04
130 23,30 1,30 30,29 69,25
135 23,47 1,30 30,51 69,75
140 22,68 1,25 28,35 64,81
145 23,70 1,25 29,63 67,74
150 23,45 1,40 32,83 75,06
155 22,70 1,20 27,24 62,28
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
D01:10.12845/bitp.40.4.2015.2
Tabela 2. Wartosci fk, Pg oraz k dla odleglosci l = 0,02 m
Table 2. The values f, P and k for the distance l = 0,02 m
kg
fk> Hz U, V I, A Pg, W k = Pg/Pp *10-4 m3
35 7,21 0,10 0,72 1,65
40 7,41 0,15 1,11 2,54
45 9,42 0,35 3,30 7,54
50 9,44 0,40 3,78 8,64
55 11,09 0,55 6,10 13,95
60 12,80 0,75 9,60 21,95
65 13,39 0,80 10,71 24,49
70 14,01 0,95 13,31 30,43
75 15,76 1,00 15,76 36,03
80 17,55 1,10 19,31 44,15
85 19,19 1,15 22,07 50,46
90 20,49 1,25 25,61 58,55
95 22,22 1,30 28,89 66,05
100 22,56 1,30 29,33 67,06
105 24,99 1,45 36,24 82,85
110 22,82 1,30 29,67 67,83
115 23,47 1,35 31,68 72,43
120 24,87 1,40 34,82 79,61
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Tabela 3. Wartosci fk, Pg oraz k dla odleglosci l = 0,04 m Table 3. The values fk, Pg and k for the distance l = 0,04 m
Hz U, V I, A W' k = P /P no-V
35 8,7 0,15 1,31 2,99
40 10,14 0,30 3,04 6,95
45 11,54 0,50 5,77 13,19
50 12,97 0,65 8,43 19,27
55 14,79 0,85 12,57 28,74
60 15,44 0,90 13,90 31,78
65 18,24 1,10 20,06 45,86
70 24,55 1,50 36,83 84,20
75 25,56 1,50 38,34 87,65
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Tabela 4. Wartosci fk, P oraz k dla odleglosci l = 0,06 m
k
Л
g
Table 4. The values fk, Pg and k for the distance l = 0,06 m
fk, U, I, Pg, k=P /P
Hz V A W *10-4 m3
35 14,75 0,6 8,85 20,23
40 17,17 0,7 12,02 27,48
D01:10.12845/bitp.40.4.2015.2
fk, U, I, Pg, k=P /P
Hz V A W *104 m3
45 22,07 1,3 28,69 65,59
50 26,14 1,5 36,60 83,68
55 30,74 1,8 43,11 98,56
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Dla plomienia o danej mocy cieplnej, wspolczynnik k, bçd^cy stosunkiem mocy granicznej i mocy plomienia, jest zwi^zany w sposob funkcyjny z czçstotliwosci^ krytyczn^ (ryc. 5). Funkcja ta, w wiçkszej czçsci zbadanej dziedziny (w granicach 35 + 155 Hz), jest funkcja rosn^c^, co wskazuje na wzrost mocy granicznej dla zwiçksza-j^cych siç czçstotliwosci. Dla czçstotliwosci krytycznej,
100
90 80 70
ktorych wartosci zblizaj^ siç do granic wyznaczonego przedzialu badawczego, funkcja nieznacznie zmienia swoj^ monotonicznosc, osi^gaj^c minimum w okolicach fk=35 + 45 Hz. Warto zauwazyc rowniez fakt, ze wartosci stosunku mocy granicznej do mocy plomienia rosn^ przy zwiçkszaniu odleglosci plomienia od plaszczyzny wylotu tunelu aerodynamicznego.
E
T
60 50 40 30 20 10
30
-*- =0m
-a- =0,02m
=0,04m
=0,06m
40
50
60
70
80
90 100 fk, Hz
110
120
130
140
150
160
Ryc. 5. Zaleznosc wspolczynnika k od czçstotliwosci krytycznej, dla plomienia o mocy cieplnej 43,74*106 W/m3 Fig. 5. Coefficient k as a function of critical frequency, the flame of thermal power 43.74*106 W/m3
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
0
Zaobserwowano rowniez roznice miçdzy wartosciami wspolczynnika k w zaleznosci od mocy cieplnej plomienia. W badaniach przeprowadzonych przez Wçsierskie-go i innych [4] wykazano, iz dla mocy plomienia znaj-duj^cej siç w zakresie wartosci 1,32 + 6,08 x 106 W/m3, i czçstotliwosci krytycznej 40 Hz, wartosc wspolczynnika k = 3,77 x 10-6 m3. Rozbieznosc miçdzy wyzej wymienion^ wartosci^, a wynikami otrzymanymi w tych badaniach moze wynikac z duzych roznic w objçtosci badanych plo-mieni (w szczegolnosci srednicy dyszy palnika), a takze z roznic wartosci natçzenia przeplywu paliwa (za czym idzie zmiana objçtosci plomienia).
Jak juz wczesniej wspomniano, niezmiernie istotna jest analiza procesu spalania z wykorzystaniem metod wizualizacji. Niezdolnosc oka ludzkiego do obserwacji odpowiednich zmian zachodz^cych podczas wygaszania plomienia oraz niedokladnosc powszechnie dostçpnych przyrz^dow optycznych (aparat fotograficzny, kamera), wyrazaj^ca siç podczas pracy z obiektami swiec^cymi, wy-musila koniecznosc przeprowadzenia wizualizacji procesu wygaszania plomienia za pomoc^ aparatu smugowego. Na ryc. 6 przedstawiono wizualizacji wygaszania plomienia dla wybranej wartosci czçstotliwosci krytycznej i mocy granicznej.
ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗВИТИЕ
D0I:10.12845/bitp.40.4.2015.2
Ryc. 6. Wizualizacja wygaszania plomienia dla fk = 35 Hz i Pg=0,68 W Fig.6. Visualization of the process of extinguishing the flame for fk = 35 Hz and Pg=0.68 W
Zrodlo: Opracowanie wlasne. Source: Own elaboration.
Z przedstawionej na ryc. 6 wizualizacji z uzyciem apara-tu smugowego widac wyraznie, jak plomien pod dzialaniem fali akustycznej rozprasza siç i slabnie, a nastçpnie gasnie.
4. Wnioski
Wykazano, ze dla danej wartosci mocy cieplnej plo-mienia mozliwe jest wygaszenie go za pomoc^ szerokiego spektrum czçstotliwosci krytycznej (35 + 155 Hz) oraz poziomem mocy granicznej ponizej 30 W. Badania prze-prowadzano dla roznych odleglosci od plaszczyzny wylotu tunelu aerodynamicznego.
Turbulenj zaburzaj^c^ front plomienia moze byc poziom cisnienia akustycznego, zmieniaj^cy siç sinu-soidalnie. Za jego graniczn^ wartosc, ponizej ktorej trudno bylo zaobserwowac zjawisko wygaszania plomienia, mozna przyj^c zakres 45^55 Pa, w zaleznosci
od odleglosci plomienia od plaszczyzny wylotu tunelu aerodynamicznego.
Wyznaczony wspolczynnik skutecznosci gaszenia plomienia jest zaleznosci^ funkcyjn^, ktora przyjmuje minimum lokalne (dla przedzialu 35^155 Hz) dla wartosci 35 + 45 Hz. Swiadczy to o najwiçkszej zdolnosci gasniczej wartosci kry-tycznych znajduj^cych siç w tym przedziale wartosci.
Wyniki przedstawionych badan mog^ znalezc zasto-sowanie w systemach gasniczych, zwlaszcza w miejscach, w ktorych ilosc srodkow gasniczych jest ograniczona (np. poklady samolotow podczas lotu), jak i w przypadku pozarow substancji, ktorych wlasciwosci nie pozwalaj^ na gaszenie ich konwencjonalnymi metodami. Problematyczne pozostaje jednak stwierdzenie wplywu tak niskich czçstotliwosci na organizm ludzki oraz opracowanie technologii pozwalaj^cej na jak najdokladniejsze dotarcie do zrodla ognia.
Literatura
[1] Wilczkowski S., Poszukiwanie nowych sposobowgaszenia [3] pozarow, „BiT Nauka i Technika Pozarnicza", Vol. 30
Issue 2, 1988. [4]
[2] Czarczynska K., Gaszenie ognia dzwiçkiem. DARPA po-kazuje, jak uzyc glosnikow do walki z pozarem, http:// gadzetomania.pl/5335,gaszenie-ognia-dzwiekiem-darpa- [5] -pokazuje-jak-uzyc-glosnikow-do-walki-zpozarem [do-
stçp 11 lutego 2014].
Wilczkowski S., Srodkigasnicze, Szkola Aspirantów PSP, Kraków 1995.
Wçsierski T., Wilczkowski S., Radomiak H., Wygaszanie procesu spalania przypomocy fal akustycznych, BiTP Vol. 30 Issue 2, 2013, pp. 59-64.
Wilczkowski S., Szecówka L., Radomiak H., Mszoro K., Sposób gaszenia plomieni falami akustycznymi, Patent krajowy Nr 177792.
D01:10.12845/bitp.40.4.2015.2
[6] Lesniak B., Wilczkowski S., Próby zastosowania fal aku-stycznych do hamowaniaprocesówspalania, „BiT Nauka i Technika Pozarnicza", Vol. 30 Issue 2, 1988. [11]
[7] Wilczkowski S., Szecówka L., Radomiak H., Mszoro K., Urz^dzenie do gaszenia falami akustycznymi. Patent krajowy Nr 177478.
[8] Simon D.M., Wagner P., Characteristics ofturbulent com- [12] bustion by flame space and space heating, "Journal of Industrial and Engineering Chemistry", Issue 1, 1956, p. 129. [13]
[9] Im H.G., Law C.K., Axelbaum R.L., Opening of the burke-schumann flame tip and the effects of curvature on diffusion [14] flame extinction, "Symposium (International) on Combustion 01/1991" Volume 23, Issue 1, 1991, pp. 551-558, DOI: 10.1016/S0082-0784(06)80302-4. [15]
[10] Zambon A.C., Chelliah H.K., Acoustic-wave interactions
with counterflow single- and twin-premixed flames: finite-rate
* * *
dr hab. inz. Henryk Radomiak, prof. P.Cz. - kierownik Katedry Pieców Przemyslowych i Ochrony Srodowiska Wydzialu Inzynierii Produkcji i Technologii Materialów Politechniki Cz^stochowskiej. Zajmuje szeroko poj^tym spalaniem paliw i odpadów oraz diagnostyk^ urz^dzeñ grzewczych. Wielokrotnie nagrodzony nagrod^ Rektora PCZ za osi^gni^cia naukowe. Jest autorem i wspólautorem ponad 100 publikacji w czasopismach krajowych i zagranicznych oraz materialach konferencyjnych. Czlonek wielu organizacji naukowych, a w szczególnosci Polskiego Instytutu Spalania.
mgr inz. Marlena Mazur - absolwentka kierunku „Inzynieria Bezpieczeñstwa" studiów I stopnia na wydziale Inzynierii Produkcji i Technologii Materialów Politechniki Cz^stochowskiej. Obecnie studentka studiów niestacjonarnych stopnia II Wydzialu Elektrycznego PCz.
dr hab. inz. Monika Zajemska, prof. P.Cz. - zast^pca kierownika Katedry PPiOS Wydzialu Inzynierii Produkcji i Technologii Materialów Politechniki Cz^stochowskiej. Zajmuje si§ przewidywaniem i ograniczaniem szkodliwych produktów spalania z przemyslowych komór grzewczych, jak równiez numerycznym modelowaniem ww. procesów. Wielokrotnie na-grodzona nagrod^ Rektora PCZ za osi^gni^cia naukowe. Jest autorem monografii oraz autorem i wspólautorem ponad 100 publikacji w czasopismach krajowych i zagranicznych oraz materialach konferencyjnych. Jest czlonkiem wielu organizacji naukowych, a w szczególnosci Polskiego Instytutu Spalania.
dr inz. Dorota Musial - adiunkt w Katedrze PPiOS Politechniki Cz^stochowskiej. Jest absolwentk^ Wydzialu Inzynierii Procesowej, Materialowej i Fizyki Stosowanej Politechniki Cz^stochowskiej (2002). Tytul doktora z dziedziny Metalurgia otrzymala w 2007 r. Wielokrotnie wyrózniona nagrod^ Rektora PCZ za osi^gni^cia naukowe. Zainteresowania naukowe: spalanie paliw i odpadów, emisja zanieczyszczeñ powietrza, numeryczne modelowanie. Jest autorem i wspólautorem po-nad 60 publikacji w materialach konferencyjnych, czasopismach krajowych i zagranicznych.
kinetics, heat release and phase effects, Proc. Combust. Institute, Volume 31, 2007, 1247-1255. Lentati A.M., Chelliah H.K., Physical, thermal and chemical effects of fine-water droplets in extinguishing counterflow diffusion flames. Twenty-Seventh Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, Pittsburg 1998. Kowalewicz A., Podstawy procesow spalania, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 2000. Kordylewski W., Spalanie i paliwa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroclawskiej, Wroclaw 2005. Roczniak M., Fizyka halasu. Czgsc I. Podstawy akustyki osrodkow gazowych, Wydawnictwo Politechniki Sl^skiej, Gliwice 1996.
Mazur M., Gaszenie plomienia falami akustycznymi. Praca inzynierska, Cz^stochowa 2014.
