CC BY
24
Ю. X. ПОЛАНДОВ, д-р техн. наук, профессор кафедры высшей математики ФГБОУ ВПО "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс" (Россия, 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29; e-mail: polandov@yandex.ru) В. А. БАБАНКОВ, аспирант кафедры высшей математики ФГБОУ ВПО "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс" (Россия, 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, 29)
УДК 536.463
МЕХАНИЗМ ВЛИЯНИЯ ПЕРЕПУСКНОГО ВЗРЫВНОГО КЛАПАНА НА РАЗВИТИЕ ВЗРЫВА В ГАЗОВОЙ МНОГОХОДОВОЙ ТОПКЕ
Ранее было выяснено, что взрывобезопасность газовой трехходовой топки можно обеспечить, используя перепускной взрывной клапан, соединяющий при взрыве объем жаровой трубы со входом в дымовую. Как выявили дальнейшие исследования, из факторов, под действием которых возможны изменения физического процесса взрыва при установке клапана, доминирующим является изменение гидросопротивления при движении газов от горелки до дымовой трубы.
Кпючевые слова: многоходовая топка; взрыв газа; перепускной взрывной клапан; численный эксперимент; механизм влияния клапана; давление взрыва.
1. Объект исследования
Проведенные ранее исследования [1] показали, что взрывобезопасность газовой многоходовой топки парового котла КП-0,12 (рис. 1) производства ОАО "Во-зовсельмаш" (п. Возы Курской обл., N =150 кВт) может быть обеспечена устройством перепускного взрывного клапана (ПВК) с проходным сечением 140x100 мм. Схема установки ПВК показана на рис. 2. В топке c ПВК при взрыве газа давление снижалось более чем вдвое по сравнению с топкой без клапана. ПВК, срабатывая во время взрыва, соединяет объем первого хода (жаровую трубу диаметром 600 мм и длиной L = 1500 мм) и вход в дымовую трубу (диаметром 190 мм), поэтому часть газовоздушной смеси и (или) продуктов сгорания двигается прямо к
дымовой трубе, минуя второй и третий ходы (дымогарные трубы). Такие клапаны предельно просты, не требуют теплоизоляции и особого уплотнения по месту прилегания. Кроме того, они исключают попадание горячих газов в рабочее помещение путем сбрасывания продуктов сгорания в дымовую трубу.
Выяснение механизма влияния ПВК на процесс взрыва даст возможность повысить эффективность применения таких клапанов в качестве защитного устройства на многоходовых топках. Ранее при разработке ПВК решение данной задачи казалось ясным, однако в процессе исследований были получены некоторые результаты, которые дали повод усомниться в простоте ее решения.
Продукты сгорания
Рис. 1. Внешний вид парового котла КП-0,12 © ПоландовЮ. X., БабанковВ. А., 2014
Рис. 2. Схема парового котла КП-0,12 с перепускным клапаном: 1 — перепускной клапан; 2 — датчик давления
1 }
2
О 0,05 0,10 0,15 0,20 т, с
Рис. 3. Динамика давления взрыва в топке котла: 1 — без клапана; 2 — с клапаном
2. Экспериментальные результаты
Доказательная база эффективности использования перепускного взрывного клапана была получена при прямых испытаниях на натурном котле (рис. 3) [2].
В работе были использованы также результаты физического эксперимента, проведенного на модельной установке "Сержант" [3].
Основная же часть результатов получена при численном моделировании с использованием математической трехмерной модели взрыва газовоздушных смесей, подробно описанной в работе [4]. Модель основана на системе уравнений сохранения в дивергентном виде для идеального газа (уравнения Эйлера), замкнутых уравнением газового состояния. Система дополнена уравнениями, описывающими механизм распространения пламени, и решается методом крупных частиц размером 10x10x10 мм (в количестве 75000) с шагом по времени 0,610-7 с, удовлетворяя, таким образом, критерию Куранта-Фридрихса-Леви с большим запасом. Картина распространения пламени, изменения параметров процесса взрыва визуализированы с помощью специального программного продукта "Вулкан-М" [5].
Геометрия границ численной модели с непринципиальными отличиями повторяет форму топки котла КП-0,12 (см. рис. 1 и 2), а начальные условия соответствуют заполнению всего объема топки сте-хиометрической газовой смесью, что предполагает наиболее неблагоприятный случай взрыва. Перепускной клапан моделируется в открытом положении, поскольку для его открытия необходимо всего порядка 100 Па.
3. Рабочая гипотеза
Отметим, что развитие взрыва в незамкнутых объемах можно рассматривать как функцию, зависящую от многих факторов, среди которых наиболее важными являются следующие: свойства газовоздушной смеси и продуктов ее сгорания, скорость нормального горения, объем топки и форма ее границ, место зажигания газовоздушной смеси, эффектив-
ная площадь проходного сечения дымовой трубы, гидросопротивление при движении газов по топке, площадь фронта горения, температура газов в дымовой трубе и др.
Используя метод сравнения, можно значительно уменьшить число факторов, необходимых для исследования поставленного вопроса, так как часть этих факторов одинакова для обоих вариантов топки и не влияет на разницу в развитии физического процесса взрыва. Однако другая часть факторов, таких как гидросопротивление, площадь фронта горения и температура газов в дымовой трубе, по нашему мнению, изменяется при установке ПВК и оказывает влияние на разницу в развитии процесса взрыва. Это можно аргументировать следующими доводами.
Во-первых, при установке ПВК изменяется геометрия проточной части топки, что, естественно, изменяет гидросопротивление при движении газов во время взрыва.
Во-вторых, распараллеливание газовых потоков, т. е. появление второго фронта пламени, меняет профиль скоростей в топке, а значит, и форму фронта пламени. Однако неясно, насколько сильно этот фактор оказывает влияние на процесс взрыва.
В-третьих, появление второго, более короткого, пути движения газов приведет к более раннему появлению пламени в дымовой трубе, что должно изменить температуру истекающих в атмосферу газов и появлению "сержантского" эффекта. Своим названием данный эффект обязан тому, что был получен на экспериментальной установке "Сержант". На рис. 4 приведены результаты эксперимента по исследованию влияния места установки взрывного клапана, проведенного на этой установке. Они показывают, что, приближая место установки взрывного клапана к устройству зажигания, можно уменьшить давление взрыва на порядок. "Сержантский" эффект формулируется просто: чем раньше пламя появляется во взрывном клапане, тем ниже давление взрыва. В ходе исследования предстоит выяснить, насколько сильное влияние оказывает этот эффект на процесс взрыва.
Степень участия каждого из факторов в снижении давления можно выяснить только путем проведения опытов, физических и (или) вычислительных.
Р, МПа 0,06
0,04
0,02
0 0,25 0,50 0,75 I, м
Рис. 4. Зависимость давления взрыва от расстояния от источника воспламенения до взрывного клапана I = Ь/Ь0
т,° С 1000 750 500 250 О
К ^
Л
2 V
л .1
0,10
0,12
0,14
0,16
0,18
г, с
Рис. 5. Ход температуры газов Т на выходе дымовой трубы: 1 — без ПВК; 2 — с ПВК
4. Результаты вычислительных опытов
4.1. Опыт по оценке влияния температуры газов в дымовой трубе
О том, что установка ПВК в топке приводит к ускорению попадания пламени в дымовую трубу, известно из публикации [1]. Это следует из результатов визуального наблюдения за движением фронта пламени в топках. На рис. 5 приведен график, полученный при вычислительном эксперименте и дающий более точное представление о разнице времен достижения пламенем дымовой трубы в топке с клапаном и без него. На этом графике записан ход температуры газов на выходе дымовой трубы. Резкий скачок температуры означает подход фронта пламени к дымовой трубе, где установлен "датчик". Из рис. 5 видно, что для случая с ПВК фронт пламени приходит на 0,05 с быстрее, однако вскоре температура газов в дымовой трубе в топке без клапана становится больше, чем в топке с клапаном. Таким образом, это осложняет суждение о том, много это или мало для заметного влияния "сержантского" эффекта на ход процесса.
Однако точно можно сказать, что для топки с ПВК, когда пламя подходит к выходу из дымовой трубы раньше, наблюдается снижение давления взрыва, хотя и неясно, насколько.
4.2. Опыт по оценке влияния площади фронта пламени
По итогам вычислительного опыта отмечено, что открытие "второго фронта" (рис. 6) сначала дейст-
т,с
Рис. 6. Динамика изменения площади фронта горения 5 в топке во время взрыва: 1 — без ПВК; 2 — с ПВК
вительно приводит к некоторому увеличению площади фронта пламени в топке с ПВК, но затем наблюдается попеременное превалирование одной площади над другой.
Установлено, что увеличение площади фронта пламени в начальной стадии развития взрыва способствует повышению давления в топке с ПВК, однако выявить степень влияния площади пламени на давление взрыва не удалось.
4.3. Опыт по оценке влияния гидросопротивления
Для решения этого вопроса была проведена "продувка" топки и оценка гидравлического сопротивления для обоих вариантов (с ПВК и без него). В опыте в топку подавали воздух через горелку, осуществляя таким образом "продувку" топки. Скорость подачи воздуха была близкой к значению, определяемому производительностью горелки, и составляла 10 м/с, что позволило реализовать режим несжимаемости среды. На рис. 7 приводится динамика изменения давления в топке. На графике можно выделить переходный и близкий к стационарному режимы. Наличие переходного режима объясняется тем, что в начальный момент воздух подается в топку скачкообразно, ступенькой конечного размера. На рис. 8 визуализирована картина течения потока. На начальных кадрах видны вихри, увеличивающие гидросопротивление и соответствующие начальному
Р, Па
400
200
-200
/V"
\ А
\ Пи-
]у у V ут
0,1 0,2 0,3
Фрагмент А
х,с
-с, с
Рис. 7. Динамика изменения избыточного давления при продувке топки: 1 — без ПВК; 2 — с ПВК
Рис. 8. Визуализация течения потока в топке при продувке без клапана (верхний ряд) и с клапаном (нижний ряд)
этапу динамики давления на рис. 7. В дальнейшем наблюдается затухание вихрей и переход течения в стационарный режим, соответствующий фрагменту А на рис. 7.
Методика обработки данных Если обозначить через ^ коэффициент гидросопротивления на пути из топки в атмосферу и относительно скорости в дымовой трубе, то для топки без ПВК можно записать выражение
Р1 - Pa = 0,5^pv2, (1)
где p1, pa — давление соответственно в топке без ПВК и атмосферное, Па;
— коэффициент гидросопротивления в топке без клапана;
p — плотность воздуха, кг/м3; v — скорость воздуха в дымовой трубе, м/с. Аналогичное выражение можно записать и для топки с ПВК:
Р2 - Pa = 0,5^2PV2. (2)
В силу того, что в обоих случаях в топку поступает одно и то же количество воздуха, и при условии, что температуры в топках одинаковы, p = idem и pv2 = idem. Поэтому:
^2 = Ри1/Ри2, (3)
гдери1, ри2 — избыточные (измеряемые) давления в топке без ПВК и с ПВК соответственно, Па. Если согласиться с тем, что коэффициенты гидросопротивления, полученные на стационарном режиме, остаются неизменными и в случае переходного процесса, то должно соблюдаться условие:
p ma^/ p вг =%xi
Отсюда следует, что
Р вг/ Р Т = Р и1/ Р и2 . (4)
Понятно, что это равенство справедливо, когда из дымовой трубы в обоих случаях истекают газы с близкими температурами.
Обработка данных опыта Наблюдаемые на рис. 3 максимальные значения давления для обоих вариантов топки располагают-
ся в интервале значений времени, при котором через дымовую трубу текут продукты сгорания, имеющие близкие температуры. Поэтому правомочно допущение pv2 = idem, p^ = 0,129 МПа и p^ = = 0,044 МПа. Отсюда
Р вГ/Р вГ = 0,129/0,044 = 2,93.
С другой стороны, при продувках в квазистационарном режиме (фрагмент А на рис. 7) получено, что ри1 = 57 Па и ри2 = 19 Па, откуда
Ри1/Ри2 = 57/19 = 3.
Однако при продувках в отсутствие горения давление и соотношение давлений, соответственно, есть продукт только гидросопротивлений. Влияние первых двух факторов (площади фронта горения и "сержантского" эффекта) разнонаправленно и, возможно, взаимно компенсируется. Близость отношения давлений и при взрыве, и без него говорит в пользу гидросопротивлений, т. е. свидетельствует о том, что именно этот фактор, и никакой другой, определяет давление в топке при взрыве.
Не исключено, что этот вывод справедлив для конструкций, близких к рассмотренной, так как влияние площади фронта пламени и "сержантского" эффекта на ход взрыва газа в незамкнутых объемах доказано. Хотя это имело место и в других случаях.
Выводы
Факторы, влияющие предположительно на давление взрыва в многоходовой топке, такие как размер площади фронта горения и "сержантский" эффект, разнонаправленны и, возможно, компенсируют друг друга. Давление взрыва в многоходовой газовой топке (с перепускным взрывным клапаном и без него) определяется гидросопротивлением при
движении газов от горелки к дымовой трубе.
***
Работа выполнена по гранту № 12-08-97569, выигранному в региональном конкурсе Российского фонда фундаментальных исследований, проведенном на средства, выделенные администрацией Орловской области.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ПоландовЮ. X., БаргМ.А., БабанковВ. А. Об одном варианте снижения давления взрывав многоходовых газовых топках // Пожаровзрывобезопасность. —2012. —Т. 21, № 11. —С. 41-46.
2. Поландов Ю. Х.и др. О результатах экспериментального исследования взрывов газовоздушной смеси в топке парового котла КП-0,12 // Безопасность жизнедеятельности — 2009. — № 2. — С. 40-41.
3. Поландов Ю. X., Барг М. А., Власенко С. А. Экспериментальное исследование влияния места установки взрывного клапана на давление взрыва в газовых топках // Пожаровзрывобезопас-ность. — 2008. — Т. 17, № 3. — С. 68-70.
4. Поландов Ю. X., Барг М. А., Власенко С. А. Моделирование процесса горения газовоздушной смеси методом крупных частиц // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 3. — С. 6-9.
5. Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2007614950 Российская Федерация. Моделирование процессов горения и взрыва газовых смесей "Вулкан-М" / Ю. Х. Поландов, М. А. Барг, С. С. Марков; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО "Орловский государственный технический университет" (ОрелГТУ). —№ 2007613936; заявл. 10.08.2007 г.
Материал поступил в редакцию 26 сентября 2013 г.
= English
MECHANISM OF THE INFLUENCE OF THE EXPLOSIVE BYPASS VALVE ON DEVELOPMENT OF EXPLOSION IN MULTI-PASS GAS FURNACE
POLANDOV Yu. Kh., Dr. of Technical Sciences, Professor of Higher Mathematics Department of FSEI HPE "State University -Education-Science-Production Complex" (Naugorskoe shosse, 29, Orel, 302020, Russian Federation; e-mail: polandov@yandex.ru)
BABANKOV V. A., Graduate Student of Higher Mathematics Department of FSEI HPE "State University - Education-Science-Production Complex" (Naugorskoe shosse, 29, Orel, 302020, Russian Federation; e-mail: polandov@yandex.ru)
ABSTRACT
Previously it was found that safety in the gas explosion in the multi-pass gas furnace can be achieved by using a explosive bypass valve, which connects the combustion chamber and chimney at explosion moment. In the study of the mechanism of influence of the valve on the development of the explosion, it was assumed that the major factors that caused the change process are the size of the flame front, the approach of the ignition source to the flue gas and hydraulic resistance movement.
Objective of this study was to evaluate the degree of influence of each of these factors on the pressure drop. The answer was found during the numerical experiment with the software, which is based on the method of large particles. During the experiment purging the furnace was modeled in two versions: with or without a valve. It was found that in the case of the valve first factor contributes to the growth of the explosion pressure, and the second — reduce the pressure, but its impact has been negligible. Analysis of the pressures that were obtained by physical experiments and computer simulations, it is found that the dominant factor in the reduction of pressure is to reduce the hydraulic resistance when moving gas from the burner to the chimney.
Keywords: multi-pass furnace; gas explosion; explosive bypass valve; numerical experiments; mechanism of the influence of the valve; explosion pressure.
REFERENCES
Polandov Yu. Kh., Barg M. A., Babankov V. A. Ob odnom variante snizheniya davleniya vzryva v mnogokhodovykh gazovykh topkakh [On one approach to explosion pressure decrease in multi-pass gas furnaces]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2012, vol. 21, no.11, pp.41-46. Polandov Yu. Kh. et al. O rezultatakh eksperimentalnogo issledovaniya vzryvov gazovozdushnoy sme-si v topke parovogo kotla KP-0,12 [The results of an experimental study of explosions of gas-air mixture in the furnace of the boiler KP-0,12]. Bezopasnost zhiznedeyatelnosti — Life Safety, 2009, no. 2, pp. 40-41.
Polandov Yu. Kh., Barg M. A., Vlasenko S. A. Eksperimentalnoye issledovaniye vliyaniya mesta usta-novki vzryvnogo klapana na davleniye vzryva v gazovykh topkakh [Experimental study of the influence of the installation location of the explosive valve on the pressure in the gas blast furnaces]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 3, pp. 68-70. Polandov Yu. Kh., Barg M. A., Vlasenko S. A. Modelirovaniye protsessa goreniya gazovozdushnoy smesi metodom krupnykh chastits [Simulation of combustion gas-air mixture by large particles]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2007, vol. 16, no. 3, pp. 6-9. PolandovYu. Kh., Barg M. A., Markov S. S. Modelirovaniyeprotsessov goreniya i vzryva gazovykh smesey "Vulkan-M" [Modeling of processes of burning and explosion of the gas mixes "Vulcan-M"]. Certificate on official registration of the computer programs RF, no. 2007614950, 2007.
