CC BY
13
ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ
Г. В. Кузнецов
д-р физ.-мат. наук, декан ТЭФ, профессор Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
А. В. Захаревич
канд. физ.-мат. наук, ст. преподаватель Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
иЙи
В. И. Максимов
канд. техн. наук, доцент Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск, Россия
УДК 536.468
О ВЛИЯНИИ СТРУКТУРЫ "ГОРЯЧИХ" ЧАСТИЦ НА УСЛОВИЯ ЗАЖИГАНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ
Излагаются результаты экспериментального исследования закономерностей зажигания жидкихтоплив (керосин, дизельное топливо и мазут) одиночной, нагретой до высоких температур частицей, образующейся при сварке. Проведено сравнение времени задержки зажигания исследуемых пожароопасных веществ монолитными (сфера и диск) и пористой частицами. Установлено, что время задержки зажигания дистиллятныхтоплив частицами, образовавшимися при сварке металлов, существенно меньше, чем при зажигании этих же топлив монолитными частицами.
Ключевые слова: экспериментальные исследования; жидкое топливо; время задержки зажигания; температура частицы; пористая частица.
Введение
В реальной практике возгорание жидких топлив возможно, в первую очередь, при проведении сварочных работ [1]. Образующиеся при сварке металлов частицы, как правило, представляют собой неправильные многогранники или несимметричные тела вращения. Многообразие возможных форм этих частиц практически исключает возможность их системного экспериментального исследования. Однако представляет интерес оценка влияния структуры реальной частицы, образующейся при сварке, на численные значения времени задержки зажигания. Кроме того, при установлении зависимости численных значений времени задержки зажигания жидких топлив от температуры частицы особый интерес представляет сравнение такой зависимости для частиц, полученных при сварке, и монолитных частиц в виде сферы и диска. С этой целью были проведены специальные экспериментальные исследования.
Методика эксперимента
При проведении исследований использовалась экспериментальная установка [2, 3], основными эле© Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И., 2010
ментами которой являются нагревательная печь и контрольно-измерительный блок. При планировании экспериментов выбиралось такое значение высоты падения частицы, при котором пары исследуемых жидких топлив не воспламенялись от нагревательной печи. При проведении опытов частицы погружались в жидкость не полностью. В экспериментах использовались образующиеся при проведении сварочных работ частицы, которые предварительно собирались, измерялись и классифицировались.
Следует отметить одну из особенностей образующихся при сварке частиц. Визуальный осмотр их показал, что для них характерна достаточно высокая открытая пористость, роль которой в процессе передачи энергии от источника нагрева к жидкому топливу может быть велика. В экспериментах использовались три типа частиц: монолитные стальные в форме сферы (й = 6 10-3 м) и диска (й = 6 10-3 м, И = 3-10-3 м), а также пористые частицы, образующиеся при сварке. Площадь поперечного сечения частицы после сварки была равна или близка по ми-делеву сечению соответствующей площади частицы в форме сферы. Моделировались условия разлива жидкого топлива по твердой поверхности.
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №11 |э
Металлическая частица падала в стеклянный вертикальный сосуд размером Н = 4 ■ 10-2м, й = 5 ■ 10-2 м. Толщина слоя топлива в сосуде была меньше размера частицы. Температура частицы существенно превышала начальную температуру жидкого топлива (300 К). Для обеспечения достоверности результатов измерений опыты проводились 4-6 раз подряд в одинаковых условиях. Моменты соприкосновения "горячей" стальной частицы с поверхностью жидкости и появления пламени фиксировались датчиками на базе электронного фотоэлемента. Время задержки зажигания определялось с момента контакта частицы с поверхностью топлива до появления пламени и регистрировалось на персональном компьютере (ПК).
Результаты экспериментальных исследований
На рисунке, а-в приведены результаты экспериментов по определению времени задержки зажигания исследуемых жидких топлив (дизельного топлива, керосина и мазута) одиночными нагретыми монолитными частицами и частицами, образующимися при сварке стали. Кривые построены в результате аппроксимации экспериментальных данных. Аппроксимационные кривые получены методом наименьших квадратов. Коэффициент вариации экспериментальных данных при постоянной температуре составлял не более 9 %. Из рисунка видно, что для пористых частиц, образующихся при сварке, начальная температура зажигания пожароопасного топлива существенно ниже, чем для монолитных частиц (правильной формы) идентичных размеров. Время задержки зажигания для пористой частицы неправильной формы также значительно меньше (при одинаковых температурах), чем для монолитных частиц в виде сферы и диска. Но это отличие характерно только для дистиллятных топлив — керосина и дизельного топлива.
Полученные результаты наглядно демонстрируют влияние наличия открытых пор у частицы на закономерности зажигания жидкостей. Механизм этого влияния, скорее всего, достаточно сложен и многогранен. Следует отметить, что пористые частицы при попадании в жидкое топливо нагревают его поверхность на большей площади по сравнению с монолитными частицами. Увеличение количества теплоты, передаваемое в зону испарения горючего с открытой поверхности частицы, приводит к росту величины теплового потока в эту зону.
Кроме этого, на процесс воспламенения исследуемых жидкостей, вероятно, влияет и находящийся в порах частиц воздух, так как в нагретой до высокой температуры частице газы в порах также имеют повышенную температуру. Эта температура,
хы>с 0,16 0,12 0,08 0,04
л\ 2 а
\ \ / ч \/ ч X 1 г /
ч
_ 3 Ну -
0^ 1250
1300
1350
1400
1450
ГЧ,К
хшй> с 0,20 0,16 0,12 0,08 0,04
б
□ 1 . /
/ ^ 2
3 /
—--_^ *— ---
04
1250
1300
1350
1400
гч,к
хы>с 0,20 0,16 0,12 0,08 0,04
в
1
3 \\ \
2
0 1250
1300
1350
1400
Экспериментальная зависимость времени задержки зажигания дизельного топлива (а), керосина (б) и мазута (в) от температуры частицы: 1 — сфера й = 6 ■ 10-3 м; 2 — диск й = 6 ■ 10-3 м, Н = 3 ■ 10-3 м; 3 — пористая частица
конечно, ниже температуры плавления стали, но существенно выше температуры жидкого топлива, поэтому в приповерхностной пористой структуре создаются условия для локального воспламенения горючего. Скорее всего, это происходит в сечении частицы на границе раздела жидкость - воздух, хотя воспламенение возможно и в порах затопленной поверхности частицы.
Следует также отметить, что плотность (реальная) пористых частиц заметно меньше плотности монолитных. Поэтому скорость осаждения пористой частицы в горючем намного ниже по сравнению с монолитной частицей и, соответственно, больше время контакта, а значит, и нагрева топлива частицей. В итоге совместное влияние этих факторов приводит к существенному снижению времени задержки воспламенения керосина и дизельного топлива пористыми частицами, образующимися при сварке, по сравнению со стальными частицами идентичных размеров.
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТОМ 19 №11
На основании анализа можно сделать вывод о том, что полученные для монолитных стальных частиц численные значения времени задержки зажигания являются нижними оценками тгЫ для керосина и дизельного топлива. Зажигание этих жидкостей частицами, образующимися при сварке металлов, будет происходить с меньшим временем задержки.
Более сложен механизм зажигания пористыми частицами мазута. Полученные экспериментальные зависимости хш от Тч показывают (см. рисунок, в), что для этого топлива характерен сдвиг предельных режимов зажигания в область менее высоких температур, как и для дистиллятных топлив. Однако при этом в диапазоне изменения Тч, соответствующем условиям зажигания мазута стальными монолитными частицами, отклонения по параметру тгЫ нельзя назвать значительными. Вероятно, в этом проявляются специфические свойства мазута — высокая доля негазифицирующихся компонент, поэтому процесс воспламенения мазута происходит, когда из него испаряются те фракции, которые способны превращаться в пар. По мере ухода фракций со все более высокой температурой кипения возрастает температура остающейся части, и начинается термическое разложение остатка. Доля нелетучего остатка мазута весьма значительна и составляет 60-80 % начальной массы [4]. Поэтому именно го-
рением неиспаряющейся части мазута в основном определяются продолжительность и полнота сгорания этого топлива. Сдвиг предельных режимов зажигания в область меньших температур обусловлен, очевидно, ростом площади контакта поверхности частицы с мазутом и соответствующим увеличением теплового потока в зону испарения. С другой стороны, для этого топлива оценку величин тгЫ можно достаточно точно проводить по результатам экспериментов со стальными монолитными частицами правильной формы (диск, сфера).
Выводы
На основании результатов экспериментальных исследований можно сделать вывод о том, что время задержки зажигания типичных дистиллятных топ-лив — керосина и дизельного топлива "горячими" частицами, образующимися при сварке металлов, существенно меньше (в 2-4 раза), чем при зажигании этих же топлив монолитными стальными частицами адекватных размеров. Время задержки зажигания высоковязкого жидкого топлива — мазута
не зависит от формы и пористости частиц.
***
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 06-08-00366).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 12.1.004-91*. ССБТ. Пожарная безопасность. Общие требования. — Введ. 01.07.1992 г. — М. : ИПК "Изд-во стандартов", 1996. — 35 с.
2. Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И. Зажигание жидкого пожароопасного вещества одиночной "горячей" металлической частицей // Изв. вузов. Физика. — 2007. — № 9/2. — С. 90-95.
3. Захаревич А. В., Кузнецов В. Т., Кузнецов Г. В., Максимов В. И. Зажигание модельных сме-севых топливных композиций одиночной, нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. — 2008. — Т. 44, № 5. — С. 10-15.
4. Белосельский Б. С., Соляков В. К. Энергетическое топливо. — М. : Энергия, 1980. — 167 с.
Материал поступил в редакцию 21 июня 2010 г.
Электронный адрес авторов: bet@tpu.ru.
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 №11 |ц
