CC BY
10
УДК 536.46
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОРИСТЫХ СРЕД ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ВЗРЫВА В ЗАКРЫТЫХ ОБЪЕМАХ, СОДЕРЖАЩИХ ГОРЮЧИЕ СМЕСИ
Ярослав Владимирович Козлов
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]
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. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики
В работе приведены сведения о горении горючих смесей в закрытых сосудах в присутствие пористых сред. Получена модель, описывающая процессы сжатия и нагрева свежего газа.
Ключевые слова: горение, взрыв, пористая среда, закрытый сосуд.
THE USE POROUS MEDIA FOR PREVENTION PROPAGATION OF BURNING INTO ENCLOSES VESSELES, CONTAINING BURNING MIXTURE
Yaroslav V. Kozlov
Institute Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, leading engineer, tel. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]
Aleksei A. Korzhavin
Institute Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, Dr. Sci, 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 University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor of physics
The paper provides information about the combustion of flammable mixtures in closed vessels in the presence of porous medium. Received model describing the processes of compression and heating of the fresh gas.
Key words: combustion, explosion, porous medium, closed vessel.
Проблемы пожаровзрывобезопасности в закрытых сосудах, наполненных горючими смесями, связаны с неконтролируемым ростом давления при возникновении реакции горения в сосуде. Во время горения прирост давления для закрытого сосуда многократно превосходит начальное давление смеси, что может
вызвать необратимое разрушение оборудования. Это особенно опасно для таких объектов, как топливные баки, содержащие пары топливно-воздушной смеси, способной к горению, химические реакторы.
Одним из подходов к решению этой проблемы, является использование пористых сред (в дальнейшем ПС), которой заполняется рабочий объём. В этом случае режим горения горючих смесей происходит без большого прироста давления [1].
Существуют несколько основных режимов горения в ПС, которые можно использовать для предотвращения взрыва горючей газовой смеси в сосуде. Режим низких скоростей (РНС) - волны горения распространяются в этом режиме со скоростями пламени порядка у~10-4 м/с. Режим высоких скоростей (РВС) волны горения распространяются со скоростями м/с.
В РНС основным фактором, определяющем свойства горения, выступает сильное тепловое взаимодействие между пористой средой и разогретыми продуктами сгорания. В этом случае резко уменьшается скорость распространения, увеличивается время прохождения ПС волной горения [2]. Этот режим возможен при диаметрах канала пористой среды ниже критического по критерию Пекле [3].
РВС существует в ПС с диаметром канала выше критического, при отсутствии вынужденной фильтрации газа в закрытом сосуде. Турбулизация пламени является основным фактором, увеличивающим скорость сгорания в пористой среде. Стационарность режима в этом случае объясняется конкуренцией двух факторов: ускорением пламени за счет турбулизации и замедлением пламени за счет гашения наиболее быстрых пульсаций пламени в ПС. Т.к. скорость распространения в РВС значительно ниже скорости звука, то давление устанавливается по всему сосуду в процессе сгорания новых порций газа практически мгновенно [4,5].
Методика исследования горения в закрытых сосудах предусматривает два подхода. Первый - это полностью заполненный объём пористой средой. Пористость и начальные условия по концентрации смеси и давлению, в данном случае, влияет на основные свойства волн горения. Второй подход рассматривает присутствие, как свободных объёмов, так и пористой среды, что может иметь место в реальной ситуации. В этом случае динамика горения зависит, как от свойств пористой среды, так и от наличия объёмов, не заполненных ПС.
Экспериментальная установка - вертикальная стальная труба квадратного сечением 48х48 мм и длиной £=1.68 м с окнами для фотодиодов. Расстояние между окнами 0.12 м, на которых были установлены фотодиоды. Зажигание находилось сверху. Давление измерялось датчиком давления Сапфир-Ди22.
В первой группе экспериментов применялись пористые среды -пенополиуретан (ППУ) с пористостью е=0.97, стальные шары диаметром 6 мм, с пористостью £=0.4. Первая группа проводилась в полностью заполненной пористой средой трубе.
Вторая группа экспериментов проводилась в частично заполненном сосуде. Труба засыпалась стальными шарами диаметром 6 мм, до желаемой высоты
I (от 0 до Ь). Верхняя часть трубы оставалась свободной от ПС. Горючая смесь: 4% С3Н8в смеси с воздухом. Начальные давления изменялись от 0.1 МПа до 0.2 МПа. Зажигание осуществлялось в свободной от ПС верхней части трубы, пламя распространялось сверху вниз. Для характеристики степени заполнения используется параметр к/=1/Ь - коэффициент заполнения. к/ изменялся от 0 до 1. к/ = 0 - труба без пористой среды, к/=1 пористая среда полностью заполняет трубу.
Распространение в п зависимость давления от в
2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
0
Рис. 1. Зависимость ж(1)для к/=\. Стехиометрические смеси с воздухом. 1 - пропана, р0=0.132 МПа, ППУ; 2 - метанар0=0.5 МПа, стальные шары d=6 мм
На рис. 1 представлена зависимость безразмерного давления от времени для двух типов пористых сред. При распространение в ППУ (рис. 1, кривая 1) происходит увеличение давления. В самом начале наблюдается небольшой прирост давления, связанный с формированием волны горения. После чего происходит практически линейный рост давления от времени до конца процесса распространения. В конце процесса распространения (1-0.5 сек) наблюдается падение давления обусловленное исчезновением волны горения.
При распространении в шарах диаметром 6 мм (рис. 1, кривая 2), также как и на кривой 1, формируется первоначальный прирост давления за счет формирования волны горения во время зажигания. Затем волна горения распространяется при уменьшающемся давлении. Скорость распространения и в ППУ и в шарах имеет линейных характер [4].
Для каждой пористой среды и горючей смеси существует свое предельное давление, ниже которого волна горения не распространяется в ПС. Для данных пористых сред это давление ~ 0.15 МПа
олностью заполненном сосуде. Как видно из рис. 1, фемени определяется типом пористой среды.
Распространение в частично заполненном сосуде. При распространении в частично заполненном сосуде, волна горения сначала двигается по незаполненной ПС части сосуда. При этом происходит основной прирост давления. На рис. 2 граница раздела для экспериментов с разной степенью заполнения отмечена буквой к/ (соответствующий коэффициент заполнения) и штриховыми линиями. Левее данной линии - волна горения двигается по незаполненной части, правее - по пористой средой.
^ мс
Рис. 2 Динамика давления в частично заполненных сосудах для разных коэффициентов заполнения. ПС - стальные шары 6 мм
Свободный от ПС объём в трубе, как это видно из рис. 2, изменяет динамику давления в системе. Сначала волна горения двигается по незаполненной части сосуда. Отсутствие пористой среды приводит здесь к росту давления и при подходе к границе раздела «свободный объём\пористая среда» давление пепг в системе может в несколько раз превосходить начальное давление п0.
При входе волны горения в ПС происходит дополнительный прирост до максимального давления пт - наибольшего измеряемого давления в эксперименте, возникающего при вхождении волны горения в ПС за счет перестройки структуры волны с ламинарного на турбулентный тип [4-7]. Как видно на рис. 2, при увеличении степени заполнения к/, происходит падение максимального безразмерного давления от 4.6 для к/ = 0, до 1.05 для к/ = 1.
В работе была получена математическая модель процесса горения с учетом теплообмена с твердой поверхностью, которая позволяет оценить давления и температуры сжимаемого свежего газа. Для более простого и наглядного представления процесса, само сжатие представляется, как результат движения жидкого поршня, проницаемого для пористой среды и не проницаемого для сжимаемого газа. В таком приближении движение поршня приводит к последо-
вательному уменьшению относительного объёма свежего газа ю и, соответственно, к сжатию газа в пористой среде и свободном от ПС пространстве.
Было получено безразмерное уравнение сохранения энергии для газа с учетом теплообмена со стенкой, связывающее текущее давление со скоростью сжатия свежего газа s=dю/dт.
1 -ла л dл /1Ч
—3-=Г —+-, (1)
а dа
dт
где т = _ безразмерное время, 0=Т/Т0ю - безразмерная температура.
Удельная поверхность пористых сред из шаров одинакового диаметра ¥ = —■1—-(1.5-103 м-1 для 6 мм шаров). Коэффициент а=^пк/йр вычислялся в
ds е
предположении не интенсифицированного теплообмена Ыы=2, dp=0.36•ds. Теплоемкость свежего газа рассчитывалась при температуре 300 Ки давлении 1 атмосфера, вычисленное значение у„=1.37. dю/dт изменялась в пределах от 0.15 до 0.6.
На рис. 3 представлены зависимости давления и температуры, вычисленные по уравнению (1) при ¿=0.6 и 0.15 и начальных условиях ю=1, п=1, о=1, 0=1 и в случае адиабатического сжатия ¿^да при тех же начальных условиях.
10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0
1
Д2 \
3
4
....... —
6
л—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—I—|—I—I—I—г-
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0
а
Рис. 3. Зависимость безразмерного давления по сосуду (1)-(3) и температуры (4)-(6) от объема, занимаемого газом в пористой среде. (1), (4) при сжатии в адиабатических условиях, (2), (5) при ¿=0.6, (3), (6) при ¿=0.15
Как видно из рис. 3, при малых и больших скоростях сжатия газа в ПС (кривые 5 и 6) температура свежей смеси мало превышает начальную температуру. Этот вывод подтверждает предположение [6] об изотермичности сжатия свежего газа в ПС, где было показано экспериментально, что при распространении волны горения в ПС, сжатие свежей смеси происходит изотермически. В случае адиабатического горения смеси (кривая 4), температура свежей смеси в ПС поднимается почти в два раза по сравнению с начальной.
Были проведены эксперименты в закрытых полностью заполненных сосудах с пористыми средами типа ППУ и стальных шаров при давлении 0.15 и 0.5 МПа.
Показано, что для этих двух типов пористых сред имеется разная зависимость давления от времени.
Проведенные эксперименты в частично заполненных сосудах показали влияние свободного от пористой среды объёма на динамику горения и величину максимального давления.
Получена математическая модель, описывающая процесс сжатия газа, с учетом теплообмена с твердой фазой. Показано, что свежая смесь в пористой среде сжимается практически изотермически.
Работа поддержана РФФИ грант 13-08-00480.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лаевский Ю.М., Бабкин В.С.Фильтрационное горение газов // В кн. Распространение тепловых волн в гетерогенных средах. Под ред. проф. Ю.Ш.Матрос. - Новосибирск: Наука, -1988. -С.108-145.
2. BabkinV.S. The Problems of Porous Flame-Arresters //In: Prevention of Hazardous Fires and Explosions, V.E. Zarko et al., (Ed.), Kluwer Academic Publishers, Printed in Netherlands, -1999, -P.199-213.
3. BabkinV.S. Some Problems of Critical Diameter.// Proc. on the Second Intern. Seminar Fire- and Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations Ed. V. Molkov, All-Russian Research Institute for Fire Protection, Moscow, Russia, -1998.-P.113-125.
4. Бабкин В.С., Бунев В.А., Коржавин А.А. и др. Горение газа в закрытом сосуде с инертной высокопористой средой //Физика горения и взрыва.-1985.-Т.21, № 5.-С. 17-22
5. Babkin V.S., Korzhavin A.A., Bunev V.A. Propagation of premixed explosion flames in porous media.//Combust.Flame. - 1991. - Vol. 87, N 2. - P. 182-190.
6. Korzhavin A.A., Bunev V.A., Babkin V.S. Dinamics of Gas Combustion in Closed Systems with an Inert Porous Medium.//Combustion and Flame. -1997. Vol. 109. - P. 507-520.
7. О зоне пламени при горении газа в инертной пористой среде/ Коржавин А.А., Бунев В.А., Абдуллин Р.Х., Бабкин В.С.// Физика горения и взрыва.-1982. - Т.18, № 6.- С. 20-23.
8. Коржавин А.А., Бунев В.А., Бабкин В.С. Нестационарные эффекты при горении газа в закрытых сосудах с инертной пористой средой// Физика горения и взрыва. -1997.- Т.33, № 1.- С. 24-32.
© Я. В. Козлов, А. А. Коржавин, А. В. Вьюн, 2016
