CC BY
26
Н. Л. ПОЛЕТАЕВ, д-р техн. наук, главный научный сотрудник, ФГБУ ВНИИПО МЧС РФ, г. Балашиха, Россия
УДК 614.833.51:614.841.1
О ВЛИЯНИИ СОДЕРЖАНИЯ КИСЛОРОДА В ВОЗДУХЕ НА СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ АЭРОВЗВЕСИ И ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА ЦЕЛЛЮЛОЗЫ
Ранее было высказано предположение о том, что зависимость нормальной скорости горения взвеси монодисперсных частиц горючего в окислительной атмосфере от параметров горючего и атмосферы пропорциональна (подобна) той, которая имеется для скорости распространения пламени по образцу этого же горючего, имеющего форму цилиндра, в той же атмосфере. В данной работе правомерность упомянутого предположения проверялась в отношении такого параметра горючего, как содержание кислорода в воздухе, разбавленном азотом. В качестве горючего использовалась целлюлоза, представленная веществами растительного происхождения. Цилиндрическим образцом являлась швейная нитка диаметром около 0,3 мм из хлопкового волокна, скорость распространения пламени по которой исследовалась экспериментально. Для воздуха нормального состава с содержанием кислорода 21 % скорость пламени была максимальной — 12,5 мм/с. По мере уменьшения содержания кислорода в воздухе происходит снижение скорости пламени приблизительно по линейному закону. Вблизи предела распространения пламени, отвечающего содержанию кислорода 12 % об., скорость пламени составила 4,5 мм/с. Оценка характера зависимости нормальной скорости распространения пламени по аэровзвеси целлюлозы от содержания кислорода в воздухе, разбавленном азотом, основывалась на известных показателях взрыва древесной пыли в камере объемом 18,7 л в предположении о постоянстве фактора турбулизации. Минимальное взрывоопасное содержание кислорода составило 10 %. Показано, что отношение полученных зависимостей скорости распространения пламени от содержания кислорода в воздухе (в диапазоне от 12 до 21 % об.) для хлопковой нитки и для аэровзвеси древесной пыли близко к константе.
Ключевые слова: горение целлюлозы; горение моноволокна; пылевоздушная смесь; влияние содержания кислорода в воздухе; скорость пламени.
Введение
В [1] высказана гипотеза о том, что зависимость нормальной скорости горения взвеси частиц горючего в окислительной атмосфере от параметров горючего и атмосферы подобна (пропорциональна) той, которая характерна для скорости распространения пламени по образцу этого же горючего в форме цилиндра в той же атмосфере. В [1] приведены также аналитические оценки и некоторые экспериментальные результаты исследования горения цилиндрических образцов целлюлозы, порождающие уверенность в том, что горючие вещества, для которых данная гипотеза справедлива, существуют. В частности, экспериментальные исследования скорости распространения пламени по цилиндрическим образцам горючего (целлюлозы) различного диаметра подтверждают известную из теории горения взвесей обратно пропорциональную зависимость скорости распространения пламени по аэровзвеси от диаметра частиц. В [2] подтверждена справедливость упомянутой гипотезы в части влияния влаго-содержания горючего (целлюлозы) на скорость распространения пламени.
© Полетаев Н. Л., 2012
Представляется целесообразным продолжить работы по обоснованию правомерности высказанной в [1] гипотезы, позволяющей трудоемкие и неоднозначные по своей интерпретации [3] исследования нестационарного турбулентного горения аэровзвеси, связанные с количественной оценкой динамики горения пылевоздушного облака, заменить весьма простым исследованием стационарного горения цилиндрического образца горючего. При этом согласно [1] диаметр цилиндрического образца может варьироваться в широких пределах.
В настоящей работе проведена экспериментальная проверка упомянутой гипотезы в части влияния содержания кислорода в воздухе на скорость распространения пламени. В качестве горючего использовалась целлюлоза, представленная веществами растительного происхождения.
Описание объектов исследования и методики эксперимента
Объектами экспериментального исследования (далее — образцами) в настоящей работе были отрезки сухой белой швейной нитки длиной около 250 мм и
диаметром около 0,3 мм. Нитка была сплетена из волокон хлопка диаметром 15-20 мкм.
В опытах по горению ниток ставилась задача установить зависимость скорости распространения пламени от содержания кислорода в воздухе. Опыты проводили на установке, схема которой показана на рис. 1. В единичном опыте образец располагали горизонтально в специальном держателе на капроновых моноволокнах диаметром 0,03 мм, натянутых через каждые 5 мм в поперечном к образцу направлении. Держатель образца представлял собой каркас из алюминиевой проволоки. Между верхними направляющими проволоками держателя, имеющими резиновую оплетку, натягивали удерживающие образец отрезки лески (концы их зажимались в прорезях оплетки, нанесенных бритвой). Большая часть образца (длиной около 200 мм) располагалась внутри цилиндрической емкости, которая представляла собой прозрачную полиэтиленовую трубку длиной около 230 мм и внутренним диаметром 80 мм. Короткая часть образца (длиной не более 50 мм) выступала наружу через отверстие размером 20x40 мм2 в торце емкости. Под держателем образца располагали линейку с ценой деления 10 мм для определения положения пламени.
Непосредственно перед огневым опытом цилиндрическую емкость в течение 5-7 мин продували предварительно приготовленной однородной смесью воздуха с азотом объемом около 10 л. Содержание кислорода в газовой смеси измеряли газоанализатором МН 5130 с точностью 0,1 %об. По завершении продувки с задержкой не более 2 с производили зажигание образца спичкой с выступающего за пределы емкости конца. Процесс распространения пламени по образцу внутри емкости с заданным содержанием кислорода в воздухе регистрировали цифровой видеокамерой 02-М0330 (частота съемки — 25 кадров в секунду, время экспозиции — 0,007 с). Путем
11 / J- А^
1 \
1111111111111111111111111111111111111
10
XZ
А-А
Рис. 1. Схема установки: 1 — корпус трубы; 2 —затвор; 3 — распределительное устройство; 4 — поток смеси; 5 — каркас держателя; 6 — верхние проволоки держателя в резиновой оплетке; 7 — образец; 8 — отрезок капронового моноволокна; 9 — видеокамера; 10 — линейка; 11 — источник зажигания
покадрового просмотра видеозаписи процесса горения на фоне линейки рассчитывали скорость распространения пламени.
Меняя содержание компонентов смеси воздуха и азота, можно получить зависимость скорости распространения пламени по образцу от содержания кислорода в газовой фазе.
Результаты экспериментальных исследований и расчетных оценок
Результаты исследования скорости распространения пламени по швейной нитке представлены на рис. 2.
Из рисунка следует, что для воздуха с содержанием кислорода 21 % об. скорость пламени была максимальной — 12,5 мм/с. С уменьшением содержания кислорода при разбавлении воздуха азотом скорость пламени снижается по линейному закону. При содержании кислорода менее 12 % об. распространение пламени по нитке не наблюдается. Продолжение линейной аппроксимации экспериментальной зависимости (пунктир на рис. 2) пересекает ось абсцисс в точке 7,3 % об.
В рамках стоящей перед данной работой задачи необходимо сравнить зависимость, представленную на рис. 2, с зависимостью нормальной скорости горения аэровзвеси целлюлозы ип от содержания кислорода А в воздухе при разбавлении последнего азотом. В настоящей работе информация о зависимости ип(А) для взвеси целлюлозы получена по результатам экспериментального исследования влияния содержания кислорода А в воздухе, разбавленном азотом, на максимальное давление Рт и индекс взрывоопасности К8( взвеси древесной пыли (состоящей в основном из целлюлозы) с помощью метода, изложенного в [2].
Зависимости Рт(А) и К^(А), любезно предоставленные автору М. О. Девликановым, получены в результате исследования горения взвеси пыли, образующейся при шлифовке дуба, в квазисферической
U, мм/с
А,%
Рис. 2. Зависимость скорости распространения пламени и по швейной нитке от содержания кислорода А в воздухе, разбавленном азотом:- — аппроксимация дискретной зависимости, представленной экспериментальными данными (♦)
ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №4
9
камере объемом V = 18,7-10-3м3 по методике [4]. Данное исследование проводили на фракции пыли дуба менее 100 мкм. В качестве источника зажигания использовали пиротехническую смесь с запасом энергии около 300 Дж, размещаемую в геометрическом центре камеры. Распыление навески древесной пыли в объеме камеры производили струей сжатого воздуха из ресивера (под давлением 1 МПа). Для того чтобы к моменту окончания распыления давление в камере совпадало с атмосферным (100 кПа), камеру перед процедурой распыления вакуумировали до абсолютного давления около 70 кПа. Концентрация взвеси (450 г/м3) и задержка момента зажигания по отношению к моменту завершения распыления (0,06 с) во всех опытах оставались неизменными. Результаты упомянутых исследований приведены на рис. 3. Как видно из рисунка, при содержании кислорода 10 % об. и менее взрыв аэровзвеси древесной пыли не наблюдается.
Для оценки турбулентной скорости Ut распространения пламени в аэровзвеси, представляемой по аналогии с исследованием турбулентного горения газовоздушных смесей [5] в виде
Рт, кПа
V, = FUn,
используем следующее соотношение [6]:
ар/ й,
и, =
Я 2
31? £1
Vу
(1)
(2)
- Р>)
где F — фактор турбулизации пламени;
ип — нормальная скорость горения аэровзвеси; Р(,) и йР/й,—текущие значения соответственно абсолютного давления продуктов горения (кПа) и скорости нарастания давления продуктов горения (кПа/с), полученные в единичном опыте по горению аэровзвеси в сферической взрывной камере при центральном зажигании; V —объем камеры; V = 18,7-10-3 м3; р0 — начальное абсолютное давление воздуха в камере, кПа;
Рт а — максимальное адиабатическое абсолютное давление продуктов горения, кПа; Я — радиус камеры; Я = 0 ,17 м; у — постоянная адиабаты для воздуха; у = 1, 4;
Я
радиус сферы, объем которой совпадает с текущим значением объема продуктов горения:
Я? = 1
1 -|РР
1 у
Р - Р
т, а Рт, а - Р0
1/3
Соотношение (2) позволяет оценить значение турбулентной скорости горения и проследить за ее изменением на всем протяжении адиабатической стадии развития взрыва на основе имеющейся осциллограммы развития пылевого взрываР(,). Однако в
700 600 500 400 300 200 100
♦ ♦
11 13 15 17 19 А, % об. 102 кПа/с б
7560 45 30 150
11
13
15
17
19 А, % об.
Рис. 3. Зависимость максимального абсолютного избыточного давления взрыва Рт (а) и индекса взрывоопасности (б) аэровзвеси древесной пыли от содержания кислорода А в воздухе, разбавленном азотом
соответствии с данными рис. 3, а в нашем распоряжении фактически имеются сведения лишь об одной точке осциллограммы развития взрыва, а именно той, где скорость нарастания давления взрыва максимальна: йР/й, = (йР/й,)т, причем
(йР/й,) т = К,/V1/3. (3)
Согласно имеющемуся опыту исследований [3, 4] данная точка осциллограммы отвечает давлению взрываР, которое оценивается следующим образом:
Р = (2Рт + Рс)/3. (4)
Хотя турбулентное горение пылей на последней стадии развития взрыва сопровождается некоторым охлаждением продуктов горения в результате их соприкосновения с холодными стенками взрывной камеры, что приводит к различию Рт, а и Рт, для простоты будем считать
Рт, а Рт . (5)
Таким образом, наша оценка величины и, сводится к расчетам по соотношению (2), где параметр (сР/й,) следует заменить на (йР/й,)т. Значения (йР/й,)т, Р и Рт а рассчитываются соответственно по формулам (3), (4) и (5). При этом величины Рт и (йР/й,)т для каждого значения содержания кислорода в воздухе, разбавленном азотом, заимствуются из рис. 2 и 3, а соответственно. Следует, однако, отметить, что упо-
Рия, м/с
ц/и
19 А, % об.
Рис. 4. Расчетно-экспериментальная зависимость скорости распространения турбулентного пламени по аэровзвеси древесной пыли иг = Еип от содержания кислорода в воздухе, разбавленном азотом: ♦ — экспериментальные данные
мянутые расчеты предполагают, что рассматриваемая точка осциллограммы соответствует окончанию адиабатической стадии развития пылевого взрыва. Данное предположение разумно при достаточно высоких экспериментальных значениях Рт > 400 кПа, что накладывает ограничение на область определения результатов расчетов (содержание кислорода в опытах с древесной пылью не должно быть ниже 12 %).
На рис. 4 приводится график расчетно-экспери-ментальной зависимости скорости распространения турбулентного пламени по аэровзвеси древесной пыли от содержания кислорода в воздухе, разбавленном азотом. Прямая представляет собой аппроксимацию экспериментальных данных на участке 12 % об. < А < 21 % об. линейной зависимостью, отвечающей минимальному среднеквадратическо-му разбросу дискретных данных. Продолжение линейной аппроксимации расчетно-эксперименталь-ной зависимости (пунктир на рис. 4) пересекает ось абсцисс в точке 7,5 % об.
Обсуждение полученных результатов
Для проверки подобия графиков, приведенных на рис. 2 и 4, построим график зависимости отношения и(/ и от общего для этих величин значения А. Поскольку значения А в сериях опытов по определению Ц и и не всегда совпадали, при вычислении отношения и/ и в качестве Ц использовали рас-четно-экспериментальное значение показателя, а в качестве и — результат линейной аппроксимации зависимости и(А). Последнее вполне разумно, так как согласно рис. 2 такая аппроксимация практически точно описывает имеющиеся экспериментальные значения и. Построенный указанным способом дискретный график зависимости отношения и(/ и от значения А приводится на рис. 5.
На рис. 5 кривая линия соответствует модели описания данной зависимости полиномом третьей сте-
19 20 А,% об.
Рис. 5. Зависимость отношения и1/ и от содержания кислорода А в воздухе, разбавленном азотом: ♦ — расчетно-экс-периментальные данные
пени, отвечающим минимальному среднеквадра-тическому разбросу дискретных данных. Из положения этой линии следует, что рассматриваемое отношение скоростей пламени близко к постоянной величине: и1/и~ 58±6, т. е. графики на рис. 2 и 4 следует считать подобными (пропорциональными). Последнее, очевидно, обусловлено близостью положения точек пересечения пунктирных продолжений линейных аппроксимаций зависимостей и(А) и и(А) с осью абсцисс (7,3 % об. на рис. 2 и 7,5 % об. на рис. 4).
График на рис. 4 построен по результатам экспериментов, в которых использовали взвесь с постоянной концентрацией горючего и поддерживали неизменным газодинамическое состояние пылевоздуш-ного облака на момент зажигания. В связи с этим разумно предположить, что фактор турбулизации пламени Е был постоянной величиной во всех опытах. Следовательно, следует ожидать, что график на рис. 4 подобен (пропорционален) зависимости нормальной скорости горения аэровзвеси древесной пыли от содержания кислорода в воздухе, разбавленном азотом. Таким образом, зависимость нормальной скорости горения аэровзвеси целлюлозы от содержания кислорода в газовой фазе также будет подобна (пропорциональна) аналогичной зависимости для скорости распространения пламени по цилиндрическому образцу такого горючего.
Заключение
Экспериментально исследована зависимость скорости горизонтального распространения пламени по цилиндрическому образцу целлюлозы, представляющему собой хлопковую швейную нить диаметром около 0,3 мм, от содержания кислорода в воздухе, разбавленном азотом. Для воздуха с содержанием кислорода 21 % об. скорость пламени была максимальной — 12,5 мм/с. По мере уменьшения содержания кислорода скорость пламени снижается по линейному закону. При содержании кислорода менее 12 % об. распространение пламени по нитке
{ББИ 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2012 ТОМ 21 №4
11
не наблюдается. Скорость пламени вблизи предела распространения — около 4,5 мм/с. Продолжение линейной аппроксимации экспериментальных данных пересекает ось абсцисс в точке 7,3 % об.
Оценка зависимости нормальной скорости горения аэровзвеси целлюлозы от содержания кислорода в воздухе произведена на основании известных результатов экспериментального исследования взрыва взвеси пыли дуба (состоящей в основном из целлюлозы) в квазисферической бомбе объемом 18,710-3 м3, воздушная среда в которой разбавлялась азотом.
Отношение скорости горения аэровзвеси целлюлозы к скорости горизонтального распространения пламени по цилиндрическому образцу целлюлозы с относительной точностью около 10 % может характеризоваться постоянной величиной во всем исследованном диапазоне концентраций кислорода в составе воздуха от 12 до 21 % об. Данный результат подтверждает правомерность высказанной ранее
гипотезы о подобии закономерностей распространения пламени по монодисперсной взвеси частиц горючего в окислительной атмосфере и по цилиндрическим образцам того же горючего в той же атмосфере.
***
Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность старшему научному сотруднику ФГБУВНИИПО МЧС России М. О. Девлика-нову за проведение исследования по определению минимального взрывоопасного содержания кислорода во взвеси древесной пыли в камере объемом 18,7 л и предоставление в распоряжение автора соответствующих протоколов опытов. Автор также считает необходимым выразить благодарность начальнику ремонтно-строительной группы того же института С. В. Агапову за предоставление для научных исследований мелкодисперсной древесной пыли, полученной при шлифовке паркета, изготовленного из массива дуба.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Полетаев Н. Л. О методе экспериментальной оценки нормальной скорости горения аэровзвеси // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, № 10. — С. 2-8.
2. Полетаев Н. Л. О подобии влияния влагосодержания целлюлозы на скорость горения ее аэровзвеси и цилиндрического образца // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19, № 12. — С. 9-12.
3. Poletaev N. L. About estimation of dust explosibility // Fire-and-Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations : Proceedings of Second International Seminar, 11-15 August, 1997, Moscow. — P. 779-786.
4. Девликанов M. О., КузьменкоД. К., Полетаев Н. Л. Флегматизация взрыва аэровзвеси кормовых дрожжей азотом // Пожаровзрывобезопасность. — 1995. — Т. 4, № 4. — С. 32-37.
5. Карпов В. П., Северин Е. С. Турбулентные скорости выгорания пропано-воздушных пламен, определенные в бомбе с мешалками // ФГВ. — 1978. — Т. 14, № 2. — С. 33-39.
6. Kumar R. K., Bowles E. M., MintzK. J. Large-Scale Dust Explosions Experiments to Determine the Effects of Scaling on Explosion Parameters // Combustion and Flame. — 1992. — Vol. 89. — P. 320-332.
Материал поступил в редакцию 31 января 2012 г.
Электронный адрес автора: [email protected].
Из пожарно-технического энциклопедического словаря
АЭРОЗОЛЕОБРАЗУЮЩИЙ ОГНЕТУШАЩИЙ СОСТАВ (АОС) - композиция специального состава, способная к самостоятельному горению без доступа воздуха с образованием огнетушащего аэрозоля.
АЭРОЗОЛИ — дисперсные системы, состоящие из мелких частиц, взвешенных в воздухе (или другом газе). Различают пыли, дымы и туманы. Аэрозоли используются в сельском хозяйстве, медицине, ветеринарии, различных отраслях промышленности. Важное значение имеет борьба с нежелательным образованием аэрозоля.
АЭРОЗОЛЬНАЯ УПАКОВКА — металлический, стеклянный или пластмассовый сосуд, укомплектованный клапаном, распылительной головкой и предохранительным колпачком, предназначенный для получения аэрозоля в виде струи.
