Научная статья на тему 'Особенности зажигания гелеобразного топлива локальным источником нагрева'

Особенности зажигания гелеобразного топлива локальным источником нагрева Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
88
11
Поделиться
Область наук
Ключевые слова
ПОЖАРНАЯ ОПАСНОСТЬ / ЗАЖИГАНИЕ / ПЛАВЛЕНИЕ / ИСПАРЕНИЕ / КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ / ОКИСЛЕНИЕ / ГЕЛЕОБРАЗНОЕ ТОПЛИВО / НАГРЕТАЯ МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ ЧАСТИЦА / FIRE DANGER / IGNITION / MELTING / EVAPORATION / CRYSTALLIZATION / OXIDATION / GELLED FUEL / HEATED METAL PARTICLE

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Жданова А. О., Стрижак П. А.

Выполнено численное исследование физико-химических процессов и фазовых переходов при зажигании типичного гелеобразного топлива источником нагрева с ограниченным теплосодержанием разогретой металлической частицей малых размеров. Установлена зависимость основной интегральной характеристики процесса времени задержки зажигания от теплосодержания источника нагрева. Выявлены предельные значения основных параметров (температура, размеры) источника энергии, при которых возможно возгорание. Проведено сопоставление условий зажигания гелеобразных топлив при локальном нагреве с аналогичными параметрами для твердых и жидких горючих веществ.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Жданова А. О., Стрижак П. А.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

FEATURES OF GELLED FUEL IGNITION AT LOCAL HEATING

Results of numerical investigations of interrelated physical and chemical processes and phase exchanges (melting, evaporation) at ignition of typical gelled fuel hydrazine liquefied oxygen by heating source with limited heat content heated metal particle are presented. Estimation of influence for temperature and sizes of particle which determine heat content on the main ignition characteristics is carried out. Limited values of main parameters (temperature, sizes) of ignition source at the ignition is possible are established. The dependence of the ignition time delay from heat content of particles is determined. Comparison of ignition conditions for gelled fuel at local heating with solid and liquid combustible substances is performed. It is shown that sizes of local heating source have significantly less impact in contrast to the solid and liquid condensed substances. Energy source temperature plays the main role. This is due to significant thermal effects endothermic phase exchanges in the gelled structure. Establishing small characteristic dimensions of the layer warmed gelled condensed substance, small ignition time delay, the position of the area of the leading oxidation reaction in a small neighborhood of the phase exchange, relatively low oxidant and fuel concentrations which are sufficient for ignition indicate a high fire risk, comparable to the earlier studied solid and liquid fuels.

Текст научной работы на тему «Особенности зажигания гелеобразного топлива локальным источником нагрева»

А. О. ЖДАНОВА, студентка Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: zhdanooova@mail.ru) П. А. СТРИЖАК, д-р физ.-мат. наук, профессор, профессор кафедры автоматизации теплоэнергетических процессов, заведующий лабораторией моделирования процессов тепломассопереноса Энергетического института Национального исследовательского Томского политехнического университета (Россия, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30; e-mail: pavelspa@tpu.ru)

УДК 536.468

ОСОБЕННОСТИ ЗАЖИГАНИЯ ГЕЛЕОБРАЗНОГО ТОПЛИВА ЛОКАЛЬНЫМ ИСТОЧНИКОМ НАГРЕВА

Выполнено численное исследование физико-химических процессов и фазовых переходов при зажигании типичного гелеобразного топлива источником нагрева с ограниченным теплосодержанием — разогретой металлической частицей малых размеров. Установлена зависимость основной интегральной характеристики процесса — времени задержки зажигания от теплосодержания источника нагрева. Выявлены предельные значения основных параметров (температура, размеры) источника энергии, при которых возможно возгорание. Проведено сопоставление условий зажигания гелеобразных топлив при локальном нагреве с аналогичными параметрами для твердых и жидких горючих веществ.

Кпючевые слова: пожарная опасность; зажигание; плавление; испарение; кристаллизация; окисление; гелеобразное топливо; нагретая металлическая частица.

Введение

Пожароопасность процессов взаимодействия типичных жидких и твердых конденсированных веществ (в частности, топлив), гетерогенных структур, полимерных и лесных горючих материалов, а также парогазовых смесей с широко распространенными локальными источниками ограниченной энергоемкости различной физической природы (разогретые до высоких температур металлические и неметаллические частицы, проволочки, стержни, концентрированные потоки солнечного излучения и лазеры) обоснована результатами теоретических [1-7] и экспериментальных [8-11] исследований, выполненных в последние годы. Определены зависимости основных интегральных характеристик зажигания от ряда факторов и процессов. Выявлены условия, при которых возможно возгорание конденсированных веществ при локальном нагреве. Разработаны упрощенные прогностические модели [12, 13] для оценки пожарной опасности локального нагрева конденсированных веществ, находящихся в твердом и жидком агрегатных состояниях. Неизученными остаются процессы зажигания гелеобразных (желеобразных) конденсированных веществ, хранящихся, как правило, при криогенных температурах, типичными локальными источниками нагрева. Экспериментальные исследования процессов зажигания таких структур затруднены достаточно жесткими требованиями, предъявляемыми к условиям про© Жданова А. О., Стрижак П. А., 2014

ведения экспериментов, сложными процедурами подготовки системы горючее - окислитель и необходимостью использовать высокоточное измерительное оборудование. В связи с этим численное моделирование является едва ли не единственным доступным подходом к исследованию рассматриваемых процессов.

Цель работы — численное исследование макроскопических закономерностей газофазного зажигания типичного гелеобразного топлива разогретой до высоких температур металлической частицей и сопоставление интегральных характеристик зажигания с аналогичными параметрами для твердых и жидких топлив.

Постановка задачи

При формулировании физической модели процесса зажигания принималось, что разогретая до высоких температур металлическая частица инерционно осаждается на поверхности типичного геле-образного топлива [14-16] (рис. 1), которое находится в твердом агрегатном состоянии при начальных криогенных температурах. Топливо содержит горючее и окислитель. Последний сгущен добавками солей и гидратов. Объемные доли горючего ф и окислителя (1 - ф) в конденсированном веществе известны. Считалось, что за счет кондуктивного, конвективного и лучистого теплообмена приповерхностный слой топлива прогревается и, как следст-

Рис. 1. Схема области решения задачи: 1 — парогазовая смесь; 2 — разогретая частица; 3 — гелеобразное топливо

вие, ускоряются процессы его плавления. При достижении условий парообразования происходит испарение жидкой фазы структуры горючее - окислитель. Пары горючего и окислителя поступают в область, заполненную инертным газом, температура которого также близка к криогенной. В малой окрестности частицы формируется парогазовая смесь, содержащая горючее, окислитель и инертный газ. При достижении достаточных для воспламенения температур и концентраций компонентов смеси происходит зажигание последней. Промежуток времени с момента выпадения источника нагрева на поверхность топлива до выполнения условий зажигания представляет собой время задержки зажигания хЛ.

При численном моделировании в качестве окислителя и горючего выбраны наиболее типичные составляющие жидких и гелеобразных топливных композиций [14-16] — соответственно сжиженный кислород и гидразин. В качестве источника нагрева принята стальная частица в форме цилиндрического диска малых размеров (Яр, Zp). Установлено, что для твердых [17] и жидких [18] конденсированных веществ форма частиц несущественно влияет на интегральные характеристики зажигания. Поэтому вместо неправильных многогранников (форма реальных частиц, образующихся в ряде практических приложений) при моделировании можно использовать симметричные тела вращения — цилиндрические диски.

Учитывался также возможный фазовый переход в материале частицы при ее остывании — кристаллизация расплава металла. Интервал изменения начальных температур металлической частицы Тр выбран таким образом, чтобы можно было рассматривать условия зажигания в диапазоне температур Тр выше и ниже точки плавления. В частности, для стальной частицы начальная температура варьировалась от 1200 до 1700 К.

При постановке задачи принимались следующие допущения.

1. В результате испарения горючего и окислителя образуются вещества с известными термохими-

ческими и теплофизическими характеристиками. При экспериментальном определении кинетических параметров реакций окисления обычно определяются "эффективные" значения энергии активации Е и предэкспоненциального множителя к0 [19, 20]. Предполагается реализация одной "эффективной" реакции, в которой участвует одно горючее вещество. Соответственно, теоретический анализ исследуемого процесса возможен при использовании кинетической схемы, для которой известны значения Е и к0.

2. Не учитывается возможное выгорание приповерхностного слоя гелеобразного топлива. Известно [21], что процесс выгорания жидкого конденсированного вещества при локальном нагреве за время тЛ приводит к незначительному (менее 4 %) снижению интегральных характеристик зажигания. Поэтому аналогично постановке [21] для гелеобразно-го топлива при 0 < т < хЛ выгоранием можно пренебречь.

3. Не учитываются процессы внедрения источника нагрева в приповерхностный слой. Установлено [9, 10], что при инерционном осаждении частиц малых размеров со скоростью не более 1,5 м/с характерное время задержки зажигания тЛ существенно меньше времени полного погружения частиц.

4. Не учитывается деформация поверхности частицы. Установлено [6, 8], что даже при контакте с твердыми конденсированными веществами конфигурация металлических и неметаллических частиц не изменяется вследствие достаточно малых скоростей осаждения.

5. Теплофизические характеристики (плотность, теплопроводность, теплоемкость) солей и гидратов, используемых для сгущения окислителя (придания желеобразного агрегатного состояния), принимаются сопоставимыми с аналогичными параметрами окислителя. Как правило, при подготовке гелеобразных топлив [14-16] в целях сохранения их энергетических свойств сгущающие добавки выбирают с теплофизическими характеристиками, близкими свойствам компонентов горючего и окислителя (за исключением кинематической вязкости).

6. Теплофизические характеристики взаимодействующих веществ не зависят от температуры. Установлено [22], что для рассматриваемого диапазона температур изменение теплофизических характеристик типичных конденсированных веществ и локальных источников нагрева несущественно влияет на интегральные характеристики зажигания.

Критерии зажигания принимались согласно представлениям современной теории зажигания конденсированных веществ [23]: • энергия, выделяемая в результате химической

реакции окисления горючего, больше теплоты,

передаваемой от разогретой частицы топливу и формирующейся парогазовой смеси; • температура смеси газообразных компонентов окислителя и горючего в зоне реакции окисления превышает начальную температуру источника нагрева.

Для описания взаимосвязанных процессов теп-ломассопереноса в условиях химического реагирования, экзотермических и эндотермических фазовых переходов при 0 < т < хл использовалась система нелинейных нестационарных дифференциальных уравнений в частных производных [24-26]: 1) для парогазовой смеси (г1 < г < гь, г1< г < г2; 0 < г < г2 < г < г1): • уравнение неразрывности:

д2 у дг 2

1 ду + д у г дг дг2

= ю;

(1)

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

уравнение движения парогазовой смеси:

= V,

дю дю

Т" + и дт дг

1 дю

—Т '--+ —2

дг г дг дг

дю ~д~г

д2ю

д2 ю

У Я

дТ1

(2)

уравнение энергии для парогазовой смеси:

дТ1

дТ1 дТ1

= а.

дг

дЛ

г дг

дг

д 2Т1 1 дТ1 д 2Т,

дг2

дг2

Р1С1

(3)

уравнение диффузии паров горючего:

= Б

12

д С г д С — и—— ' дг дС w- дг

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

дт

д2 С— 1 д С— + д2 С— + W " о

дг2 г дг ' дг2 Р12

(4)

уравнение диффузии паров окислителя:

= Б

'13

3) длягелеобразноготоплива(0<г<гь, 0<г<г1): • уравнение теплопроводности:

дТ3

= а-.

дт

Здесь г, г

д 2Т3

дг2

1 ЭД.

г дг

д 2Т3

дг2

О W

р 3 С3

(8)

д Со ' д Со дг д Со W дг • г = 0, г

дт (5)

д2 Со + 1 д Со ' д 2 Со ■ W о ; • г = 0, г]

дг 2 г дг дг 2 Р13 ;

координаты цилиндрической системы, м; гь, гь — размеры области решения, м; у — функция тока, м2/с; ю — вихрь скорости, с-1; и, w — компоненты скорости газообразных продуктов испарения соответственно горючего и окислителя, м/с; V — кинематическая вязкость, м2/с; у — коэффициент термического расширения, К-1; я — ускорение свободного падения, м/с2; Т —температура, К; а — температуропроводность, м2/с; 0о — тепловой эффект реакции окисления паров горючего, Дж/кг; Wo — массовая скорость окисления, кг/(м3-с); р — плотность, кг/м3; С — удельная теплоемкость, Дж/(кгК); С—, С&, Со — безразмерная концентрация соответственно паров горючего, инертного газа и паров окислителя; Б — коэффициент диффузии, м2/с; 0С — тепловой эффект кристаллизации материала частицы, Дж/кг; Wc — массовая скорость кристаллизации материала частицы, кг/(м2-с); 0т — тепловой эффект плавления системы горючее - окислитель, Дж/кг; Wm — массовая скорость плавления связки горючее - окислитель, кг/(м2-с); индексы: 1 — парогазовая смесь; 2 — частица; 3 — топливо; 12 — пары горючего; 13 — пары окислителя. Начальные условия (т = 0):

• 0 < г < гь, 0 < г < г1:

Т = Т0;

• 0 < г < г1, г1 < г < г2:

Т = Т;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

• г1 < г < гь, г1 < г < г2; 0 < г < гь, г2 < г < гь:

Т = Т0, С/ =0, Со = 0, у = 0, ю = 0,

где Т0 — начальная температура топлива и инертного газа, К;

Тр — начальная температура частицы, К. Граничные условия (0 < т < тй):

дТ3/ дг = 0;

дТ2/ дг = 0;

• уравнение баланса для парогазовой смеси:

С— + Со + Се =1; (6)

2) для металлической частицы (0 < г < г1, г1< г < г2):

• уравнение теплопроводности:

дт

д 2Т2 дг 2

1 ^

г дг

д 2Т2

дг 2

0cWc г1 р 2 С2

; (7)

г = г1, г1 < г < г2:

-X

дТ1

дг

= -X

г = 0, г = гь, г2 < г < г£:

г = 0, 0 < г<гь:

дТ^.

дг

дТ1 / дг = 0; дТ3/ дг = 0;

2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

• 2 = 2ъ 0 < г < г1:

Ц3 - Я/ Щ - Яео Ко = -^2 ^Т ;

• 2 = 2^ г1 < г < тт':

ВТ ВТ

3 "^Т" " ЯеГ - вео Ко =

• 2 = 22, 0 < г < г1:

1 ВТ1 а - 1 ВТ2 .

02 02

• 2 = 2ь, 0 < г < гт:

дТ1/ 02 - 0, где 1 — теплопроводность, Вт/(мК);

аг — плотность теплового потока, отводимого от источника нагрева за счет лучистого теплообмена, Вт/м2;

, яео — тепловой эффект испарения соответственно горючего и окислителя, Дж/кг; к*, кео — массовая скорость испарения соответственно горючего и окислителя, кг/(м2-с). Теплофизические характеристики топлива рассчитывались с использованием следующих выражений:

1з = ф1* + (1 - ф)1И ;

Сз = фС/ + (1- ф)С„;

Рз = ФР/ + (1 - ф)Ро* , где /•, о* — индексы, соответствующие горючему компоненту и окислителю в топливе. Массовые скорости испарения горючего и окислителя рассчитывались соответственно по формулам [27]:

Р РП - Ре .

КеГ -Ф

1-

к Рру1 2к Я^/М12 '

Ко - (1 - Ф)

Р

РП - Р

1-

к Р Р,12л Я^/М^

где Р—коэффициент конденсации (испарения) [28]; кр — безразмерный коэффициент; кр « 0,4 [27]; РП — давление насыщенных паров горючего (окислителя), Н/м2;

Ре — давление паров горючего (окислителя) вблизи границы испарения, Н/м2;

Я,

универсальная газовая постоянная,

Дж/(мольК);

Т* — температура на границе фазового перехода, К;

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

М — молярная масса паров горючего (окислителя), кг/кмоль.

Массовая скорость кристаллизации материала частицы рассчитывалась по формуле [27]:

Жс = Ус Р2,

где ¥с — линейная скорость кристаллизации, м/с.

Линейная скорость кристаллизации материала частицы определялась из следующего выражения [29]:

5(г, 2, т + Дт) + 5(г, 2, т)

V -

Дт

где 5(г, 2, т + Дт), 5(г, 2, т) — расстояние от нижней грани частицы до фронта кристаллизации соответственно на (т + Дт)-м и т-м шаге по времени, м; Дт — шаг по времени, с.

Массовая скорость плавления топлива рассчитывалась по формуле

Жт Ут р3?

где Ут — линейная скорость плавления, м/с (вычислялась аналогично Ус). Для определения массовой скорости химического реагирования (окисления) использовалось выражение [25]:

К -Р1 С/Стк0 ехр ^

где п, т — постоянные бинарной скорости реакции (п = т = 1);

к0 — предэкспонента реакции окисления, с-1; Е — энергия активации реакции окисления, Дж/моль.

Плотность теплового потока, отводимого от источника нагрева за счет лучистого теплообмена, рассчитывалась по формуле [29]:

аГ = аеТ 4,

где а — постоянная Стефана-Больцмана, Вт/(м2-К4); е — степень черноты.

Система уравнений (1)-(8) решалась с использованием методов и алгоритмов, описанных в [18, 21,22]. Для повышения точности решения устанавливалось не менее 400 узлов разностной сетки по каждой из координат и использовался неравномерный шаг по времени — 10-9-10-6 с.

Для оценки достоверности результатов численного моделирования аналогично [22] выполнялась проверка консервативности используемой разностной схемы.

Результаты исследования и их обсуждение

Численные исследования выполнены при следующих типичных значениях параметров [30-35]: начальная температура топлива и окружающего инертного газа Т0 = 90 К; начальная температура стальной частицы Тр = 1200^1700 К; параметры химического реагирования паров гидразина и сжиженного кислорода (Яо = 14,644 МДж/кг, Е = 121,3 кДж/моль, к0 = 2,25 109 с-1); тепловой эффект плавления топлива Ят = 395 кДж/кг; безразмерный коэффициент

конденсации (испарения) р = 0,1; тепловой эффект испарения гидразина Я* = 1390 кДж/кг; тепловой эффект испарения сжиженного кислорода Яео = = 2100 кДж/кг; тепловой эффект кристаллизации Яс = 205 кДж/кг; температура кристаллизации материала стальной частицы Тс = 1500 К; коэффициент термического расширения у = 0,001 К-1; размеры частицы Яр = 2р = 0,5^5,0 мм; толщина пленки топлива 2С = 5^10 мм; размеры области решения гт = 2т = 20 мм. Теплофизические характеристики топлива, частицы и газообразных компонентов смеси принимались согласно [32-35].

В результате численного моделирования определены макроскопические особенности процессов тепломассопереноса, фазовых переходов и химического реагирования при зажигании типичной геле-образной топливной композиции гидразин с^жи-женный кислород широко распространенным локальным источником нагрева малых размеров — разогретой стальной частицей. В частности, установлено, что предельные значения параметров, определяющих теплосодержание частицы (температура и размеры), при которых возможно зажигание топлива, существенно превышают аналогичные параметры для систем с твердыми и жидкими конденсированными веществами [1-7]. Так, например, для рассматриваемого топлива гидразин сжиженный кислород минимальная температура стальной частицы, при которой происходит зажигание, составляет 1050 К (при Яр = 2р = 3 мм). При увеличении размеров частицы до 5 мм минимальная температура, при которой реализуются условия зажигания, несущественно (до 20 К) снижается относительно 1050 К.

На рис. 2 приведена зависимость времени задержки зажигания рассматриваемой системы гидразин сжиженный кислород от теплосодержания металлической частицы Яр. Для вычисления теплосодержания источника нагрева использовалось выражение [29]:

Яр = Р2 С2 Ур (Тр-Тс),

где Ур — объем частицы, м3; Ур - л Яр 2р.

Теплосодержание источников энергии существенно влияет на условия прогрева приповерхностных слоев твердых и жидких конденсированных веществ, особенно при ограниченном теплосодержании источников [36]. На интегральные характеристики зажигания (в частности, время задержки зажигания тй) твердых и жидких конденсированных веществ [1-7] существенное влияние оказывают и температура, и размеры частицы, определяющие ее теплосодержание Яр. В рассматриваемой системе (см. рис. 1) для гелеобразной структуры горючее -окислитель установлено, что варьирование разме-

ТфМС 0,44 0,42 0,40 0,38 0,36 0,34 0,32 0,30

0,32 0,34 0,36 0,38 0,40 0,42 Qp, кДж

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Рис. 2. Зависимость времени задержки зажигания топлива от теплосодержания металлической частицы Qp при R„ = Z„ = 3 мм, Zc = 5,5 мм

ров источника Rp и Zp не приводит к существенному изменению интегральных характеристик зажигания, а определяющую роль играет температура частицы Tp. Так, например, приведенная на рис. 2 зависимость xd =f (Qp) получена при варьировании температуры Tp от 1050 до 1400 К (Rp = Zp = 3 мм). При изменении Qp в диапазоне, соответствующем рис. 2, за счет варьирования размеров источника нагрева при Tp = const значения xd меняются в пределах 5 %. Этот результат показывает, что в случае локального нагрева гелеобразных конденсированных веществ зависимости xd = f (Qp) не в полной мере отражают физическую связь характеристик процесса с условиями его реализации. При одном и том же теплосодержании частиц, но при разных температурах и размерах интегральные характеристики процесса (в частности, время xd) существенно различаются. Можно выделить некоторые минимальные размеры частицы (Rp = Zp = 1,5 мм), при превышении которых значения xd практически не изменяются. В условиях незначительного влияния размеров Rp и Zp (при Rp = Zp >1,5 мм) определяющую роль играет зависимость xd = f (Tp).

Установленную закономерность можно объяснить спецификой эндотермических фазовых переходов (плавление и испарение), протекающих в приповерхностном слое гелеобразного топлива. Температура системы гидразин - сжиженный кислород -желеобразные примеси в исходном состоянии близка к криогенной (около 90 К) [14-16]. При прогреве приповерхностного слоя топлива за счет энергии частицы в очень тонком слое реализуются условия плавления. Тепловой эффект плавления системы гидразин - сжиженный кислород достаточно высок — 3,95 105 Дж/кг. Это приводит к заметному снижению температуры частицы вблизи границы фазового перехода относительно ее начального значения Tp и уменьшению глубины прогрева топлива. При достижении температур, достаточных для испарения окислителя и горючего, происходит парообразование. Эти эндотермические фазовые переходы характеризуются значениями теплоты парообразования

г, мм

г, мм

5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 г, мм

б

5,25

5,50

5,75

6,00

Рис. 3. Изотермы (а), изолинии концентраций окислителя (б) и изолинии концентраций горючего (в) в момент воспламенения (тл = 0,46 мс) при Тр =1050 К, Кр = 2р = 3мм, 2С = 5,5 мм

((1,4^2)-106 Дж/кг), существенно превышающими теплоту плавления, поэтому падение температуры частицы на границе с топливом становится еще более значительным относительно ее начального значения Тр. Глубина прогрева топлива при этом увеличивается несущественно, и, как следствие, меньше

энергии, аккумулированной в частице, сохраняется для прогрева смеси продуктов парообразования окислителя и горючего. Установлено, что при Тр < 1000 К металлические частицы достаточно интенсивно остывают и ускорения реакции окисления продуктов парообразования не наблюдается. Для типичных жидких топлив (бензин, керосин, мазут, дизельное топливо) условия зажигания при идентичных внешних условиях реализуются и при Тр = 950 К [5, 7, 10].

Установлено также, что в отличие от жидких топ-лив при нагреве приповерхностного слоя гелеобраз-ного топлива источником ограниченной энергоемкости зона ведущей реакции окисления формируется в малой окрестности основания частицы и границы вдува продуктов парообразования. Это обусловлено и значительным расходом энергии источника нагрева на эндотермические фазовые переходы (плавление, испарение). Так, например, на рис. 3,а показаны изотермы в рассматриваемой системе (см. рис. 1) в момент воспламенения при Тр = 1050 К и Яр = 2р = 3 мм. Видно, что инертный газ прогревается существенно быстрее, чем поступающие с поверхности топлива компоненты горючего и окислителя. Между зонами интенсивной реакции окисления (г ^ г1) и прогретого газа (г — г2) имеются участки (г1 < г < г2) несколько пониженной температуры (см. рис. 3,а). Формирование таких областей можно объяснить тем, что при остывании частицы снижается интенсивность прогрева смеси инертного газа с продуктами парообразования. Рост температуры парогазовой смеси вблизи основания частицы при т —^ т^ (см. рис. 3,а) можно объяснить тепловыделением при ускорении реакции окисления.

Численный анализ, выполненный с использованием математической модели (1)-(8), показал, что концентрация окислителя Со в окрестности поверхности топлива растет в несколько раз быстрее, чем концентрация горючего С . Это обусловлено значительным различием скоростей испарения гидразина и сжиженного кислорода [14-16]. Вследствие этого реакция окисления ускоряется при высоких значениях Со и умеренных значениях С— (рис. 3,б,в). Отсюда можно сделать вывод, что скорость вдува паров горючего главным образом определяет инерционность процесса зажигания формирующейся парогазовой смеси.

Следует отметить, что время задержки зажигания (см. рис. 2) гелеобразной структуры существенно меньше данного показателя для жидких и твердых конденсированных веществ [1-7]. В первую очередь, это можно объяснить меньшей энергией активации реакции окисления Е для системы гидразин - сжиженный кислород по сравнению с жидкими и твердыми топливными композициями [1-7]. Во-вторых, в отличие от жидких топлив для реализации условий воспламенения гелеобразного горю-

чего достаточно обеспечить меньший приток горючего (см. рис. 3,в) в газовую фазу. Однако условия зажигания реализуются при существенно больших температурах (см. рис. 3,а).

Установленные значения концентраций горючего С/и окислителя Со (см. рис. 3), достаточные для зажигания, и малые значения тл (тй << 1 с) свидетельствуют о высокой пожарной опасности даже при локальном нагреве гелеобразных топлив, несмотря на криогенные условия их хранения. Диапазоны изменения температур и размеров модельного источника нагрева — металлической частицы соответствуют реальным, получаемым при проведении ряда технологических процессов (сварка, резка, шлифование металлов и т. д.). Поэтому вероятность формирования локальных очагов возгораний гелеоб-разных топливных композиций очень высока и сопоставима с жидкими горючими и легковоспламеняющимися веществами.

Заключение

Выполненные численные исследования показали, что размеры локального источника нагрева —

металлической частицы оказывают на условия зажигания гелеобразных топливных композиций в отличие от твердых и жидких конденсированных веществ [1-7] существенно меньшее влияние. Основную роль здесь играет температура источника энергии, что обусловлено значительными тепловыми эффектами эндотермических фазовых переходов в геле-образных структурах.

Установленные небольшие характерные размеры прогретого приповерхностного слоя гелеобраз-ного конденсированного вещества, малые значения времени задержки тй, положение зоны ведущей реакции окисления в малой окрестности границы фазового перехода, относительно небольшие концентрации окислителя и горючего, достаточные для возгорания, свидетельствуют о высокой пожарной опасности, сопоставимой с данной характеристикой для ранее исследованных твердых и жидких топлив [1-7].

***

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 12-08-33002).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кузнецов Г. В., Мамонтов Г. Я., ТаратушкинаГ. В. Зажигание конденсированного вещества частицей // Химическая физика. — 2004. — Т. 23, № 3. — С. 67-72.

2. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Воспламенение пожароопасной жидкости одиночной "горячей" частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2007. — Т. 16, № 6. — С. 13-20.

3. Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Особенности зажигания парогазовой смеси нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 3. — С. 26-32.

4. Буркина Р. С., Микова Е. А. Высокотемпературное зажигание реакционноспособного вещества горячей инертной частицей с конечным запасом тепла // Физика горения и взрыва. — 2009. — Т. 45, № 2. — С. 40-47.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

5. Kuznetsov G. V., StrizhakP.A. Transient heat and mass transfer at the ignition of vapor and gas mixture by a moving hot particle // International Journal of Heat and Mass Transfer. — 2010. — Vol. 53, No. 5-6.—P. 923-930.

6. ГлушковД. О., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Численное моделирование твердофазного зажигания металлизированного конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей // Химическая физика. — 2011. — Т. 30, № 12. — С. 35-41.

7. Высокоморная О. В., Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Численное моделирование особенностей тепломассопереноса при зажигании жидкого конденсированного вещества лазером // Тепловые процессы в технике. — 2011. — № 3. — С. 113-117.

8. Захаревич А. В., Максимов В. И., Кузнецов Г. В. Зажигание модельных смесевых топливных композиций одиночной, нагретой до высоких температур частицей // Физика горения и взрыва. — 2008. — Т. 44, № 5. — С. 54-57.

9. Захаревич А. В., Кузнецов Г. В., Максимов В. И., Панин В. Ф., РавдинД. С. Оценка пожарной опасности мазута в условиях перегрузки, хранения и транспорта на тепловых электрических станциях //Известия Томского политехнического университета. — 2008.—Т. 312, № 3. — С. 30-33.

10. Захаревич А. В., СтрижакП. А. Пожарная опасность взаимодействия источников ограниченного теплосодержания с легковоспламеняющимися жидкостями // Пожарная безопасность. — 2011.—№4.— С. 70-75.

11. ЗахаревичА. В., БарановскийН. В., СтрижакП. А. Экспериментальное исследование процессов зажигания нагретой частицей биологически трансформированного опада лиственных пород // Бутлеровские сообщения. — 2012. — Т. 32, № 13. — С. 95-99.

12. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. О возможности использования одномерной модели при численном анализе процесса зажигания жидкого конденсированного вещества одиночной нагретой частицей // Физика горения и взрыва. — 2010. — Т. 46, № 6. — С. 78-85.

13. СтрижакП. А. Упрощенная постановка задачи зажигания горючих и легковоспламеняющихся жидкостей источником ограниченной энергоемкости // Пожарная безопасность. — 2011. — № 3. — С. 44-49.

14. Audrieth L. F., OggB.A. The chemistry of hydrazine.—NewYork, 1951.—234 p.

15. Паушкин Я. М., ЧулковА. З. Ракетные топлива. — М. : Мир, 1975. — 188 с.

16. Пат. RU 2309140. МПК C06D 5/10, C06B 47/04. Способ получения гелеобразного ракетного монотоплива / Валиев Б. Г., Дремин Ю. Л., Кравченко С. Н., Лопатин В. М. — Заявл. 24.02.2005 г.; опубл. 27.10.2007 Г., Бюл. № 30.

17. Кузнецов Г. В., Глушков Д. О., Стрижак П. А. Влияние формы локального источника энергии на условия зажигания структурно-неоднородного твердого конденсированного вещества // Химическая физика и мезоскопия. — 2012. — Т. 14, № 3. — С. 334-341.

18. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Влияние формы нагретой до высоких температур частицы на газофазное зажигание пленки жидкого конденсированного вещества // Химическая физика. —

2010.—Т. 29, №3. —С. 1-8.

19. Кондратьев В. Н., Никитин Е. Е. Константы скорости газофазных реакций : справочник. — М.: Наука, 1971. —351 с.

20. Кондратьев В. Н., НикитинЕ. Е. Кинетика и механизм газофазных реакций. — М.: Наука, 1974.

— 558 с.

21. Высокоморная О. В., Кузнецов Г. В., СтрижакП. А. Моделирование зажигания жидкого топлива локальным источником нагрева в условиях выгорания жидкости // Химическая физика. —

2011. — Т. 30, № 8. — С. 62-67.

22. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Зажигание накаленной одиночной частицей жидких углеводородных топлив // Известия Томского политехнического университета. — 2008. — Т. 312, № 4.

— С. 5-9.

23. Vilyunov V. N., Zarko V.E. Ignition of solids.—Amsterdam: Elsevier Science Publishers, 1989. — 442 p.

24. Пасконов В. М., Полежаев В. И., Чудов Л. А. Численное моделирование процессов тепло- и мас-сообмена. — М. : Наука, 1984. — 277 с.

25. Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. — М.: Наука, 1987.

— 490 с.

26. Лойцанский Л. Г. Механика жидкости и газа. — М. : Наука, 1970. — 904 с.

27. Муратова Т. М., Лабунцов Д. А. Кинетический анализ процессов испарения и конденсации // Теплофизика высоких температур. — 1969. — Т. 7, № 5. — С. 959-967.

28. Кнаке О., Странский И. Н. Механизм испарения // Успехи физических наук. — 1959. — Т. 68, №2. —С. 261-305.

29. Кутателадзе С. С. Основы теории теплообмена. — М. : Атомиздат, 1979. — 416 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

30. Щетинков Е. С. Физика горения газов. — М. : Наука, 1965. — 739 с.

31. Греков А. П., Веселов В. Я. Физическая химия гидразина. — Киев : Наукова думка, 1979. — 263 с.

32. Коровин Н. В. Гидразин. — М. : Химия, 1980. — 272 с.

33. Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. — М. : ООО "Старс", 2006. — 720 с.

34. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М.: Энергия, 1975.

— Т. 1. —743 с.

35. Теплотехнический справочник / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М.: Энергия, 1975.

— Т. 2.— 896 с.

36. Кузнецов Г. В., Стрижак П. А. Зажигание конденсированных веществ при локальном нагреве.

— Новосибирск : Изд-во СО РАН, 2010. — 269 с.

Материал поступил в редакцию 15 марта 2013 г.

FEATURES OF GELLED FUEL IGNITION AT LOCAL HEATING

ZHDANOVA A. O., Student, Power Institute, National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: zhdanooova@mail.ru)

STRIZHAK P. A., Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Professor of Automation Thermal and Power Processes Department, Head of Laboratory of Heat and Mass Transfer Processes Modeling of Power Institute, National Research Tomsk Polytechnic University (Lenina Avenue, 30, Tomsk, 634050, Russian Federation; e-mail address: pavelspa@tpu.ru)

ABSTRACT

Results of numerical investigations of interrelated physical and chemical processes and phase exchanges (melting, evaporation) at ignition of typical gelled fuel hydrazine - liquefied oxygen by heating source with limited heat content — heated metal particle are presented. Estimation of influence for temperature and sizes of particle which determine heat content on the main ignition characteristics is carried out. Limited values of main parameters (temperature, sizes) of ignition source at the ignition is possible are established. The dependence of the ignition time delay from heat content of particles is determined.

Comparison of ignition conditions for gelled fuel at local heating with solid and liquid combustible substances is performed. It is shown that sizes of local heating source have significantly less impact in contrast to the solid and liquid condensed substances. Energy source temperature plays the main role. This is due to significant thermal effects endothermic phase exchanges in the gelled structure.

Establishing small characteristic dimensions of the layer warmed gelled condensed substance, small ignition time delay, the position of the area of the leading oxidation reaction in a small neighborhood of the phase exchange, relatively low oxidant and fuel concentrations which are sufficient for ignition indicate a high fire risk, comparable to the earlier studied solid and liquid fuels.

Keywords: fire danger; ignition; melting; evaporation; crystallization; oxidation; gelled fuel; heated metal particle.

REFERENCES

1. Kuznetsov G. V., MamontovG. Ya., Taratushkina G. V. Zazhiganiye kondensirovannogo veshchestva chastitsey [Ignition of condensed substance by particle]. Khimicheskaya fizika — Chemical Physics, 2004, vol. 23, no. 3, pp. 67-72.

2. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Vosplameneniye pozharoopasnoy zhidkosti odinochnoy "goryachey" chastitsey [Ignition of the fire-liquid by single "hot" particle]. Pozharovzryvobezopasnost — Fire and Explosion Safety, 2007, vol. 16, no. 6, pp. 13-20.

3. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Osobennosti zazhiganiya parogazovoy smesi nagretoy do vysokikh temperatur metallicheskoy chastitsey [Features of vapor-gas mixture ignition by heated till high temperature metallic particle]. Pozharovzryvobezopasnost—Fire and Explosion Safety, 2008, vol. 17, no. 3, pp. 26-32.

4. Burkina R. S., Mikova E. A. Vysokotemperaturnoye zazhiganiye reaktsionnosposobnogo veshchestva goryachey inertnoy chastitsey s konechnym zapasom tepla [High-temperature ignition of a reactive substance by hot inert particles with a finite supply of heat]. Fizika goreniya i vzryva—Physics of Combustion and Explosion, 2009, vol. 45, no. 2, pp. 40-47.

5. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Transient heat and mass transfer at the ignition of vapor and gas mixture by a moving hot particle. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2010, vol. 53, no. 5-6, pp. 923-930.

6. Glushkov D. O., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Chislennoye modelirovaniye tvyerdofaznogo zazhi-ganiya metallizirovannogo kondensirovannogo veshchestva nagretoy do vysokikh temperatur chasti-tsey [Numerical simulation of solid-plated ignition for metal condensed substance by heated till high temperatures particle]. Khimicheskaya fizika — Chemical Physics, 2011, vol. 30, no. 12, pp. 35-41.

7. Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Chislennoye modelirovaniye osobennostey teplomassoperenosa pri zazhiganii zhidkogo kondensirovannogo veshchestva lazerom [Numerical modeling of heat and mass transfer at the ignition of the liquid condensed substance by laser]. Teplovyye protsessy v tekhnike — Thermal Processes in Engineering, 2011, no. 3, pp. 113-117.

8. Zakharevich A. V., Maksimov V. I., Kuznetsov G. V. Zazhiganiye modelnykh smesevykh toplivnykh kompozitsiy odinochnoy nagretoy do vysokikh temperatur chastitsey [Ignition of model composite fuel compositions by single heated till high temperatures particle]. Fizika goreniya i vzryva — Physics of Combustion and Explosion, 2008, vol. 44, no. 5, pp. 54-57.

9. Zakharevich A. V., Kuznetsov G. V., Maksimov V. I., Panin V. F., Ravdin D. S. Otsenka pozharnoy opasnosti mazuta v usloviyakh peregruzki, khraneniya i transporta na teplovykh elektricheskikh stan-tsiyakh [Fire risk assessment in oil unloading, storage and transportation of thermal power stations]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta — Bulletin of Tomsk Polytechnic University, 2008, vol. 312, no. 3, pp. 30-33.

10. Zakharevich A. V., Strizhak P. A. Pozharnaya opasnost vzaimodeystviya istochnikov ogranichennogo teplosoderzhaniya s legkovosplamenyayushchimisya zhidkostyami [Fire danger of interaction for limited sources of heat content and flammable liquids]. Pozharnaya bezopasnost — Fire Safety, 2011, no. 4, pp. 70-75.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

11. Zakharevich A. V., BaranovskiyN. V., Strizhak P. A. Eksperimentalnoye issledovaniye protsessov za-zhiganiya nagretoy chastitsey biologicheski transformirovannogo opada listvennykh porod [Experimental investigation of the ignition for biologically transformed litter hardwood heated particle]. Butlerovskiye soobshcheniya — Butlerov Communications, 2012, vol. 32, no. 13, pp. 95-99.

12. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. O vozmozhnosti ispolzovaniya odnomernoy modeli pri chislennom analize protsessa zazhiganiya zhidkogo kondensirovannogo veshchestva odinochnoy nagretoy chastitsey [On the possibility of a one-dimensional model for the numerical analysis of the ignition process for liquid condensed substance by heated single particle]. Fizika goreniya i vzryva — Physics of Combustion and Explosion, 2010, vol. 46, no. 6, pp. 78-85.

13. Strizhak P. A. Uproshchennaya postanovka zadachi zazhiganiya goryuchikh i legkovosplamenya-yushchikhsya zhidkostey istochnikom ogranichennoy energoyemkosti [Simplified formulation of the problem for ignition ofcombustible and flammable liquids by limited energy source]. Pozharnaya be-zopasnost — Fire Safety, 2011, no. 3, pp. 44-49.

14. Audrieth L. F., Ogg B. A. The chemistry of hydrazine. New York, 1951. 234 p.

15. Paushkin Ya. M., Chulkov A. Z. Raketnyye topliva [Rocket fuels]. Moscow, Mir Publ., 2007. 188 p.

16. Valiev B. G., Dremin Yu. L., Kravchenko S. N., Lopatin V. M. Sposobpolucheniya geleobraznogo raketnogo monotopliva [The way of producing for gel monopropellant rocket]. Patent RF, no. RU 2309140, 2007.

17. Kuznetsov G. V., GlushkovD. O., Strizhak P. A. Vliyaniye formylokalnogo istochnikaenergiinauslo-viya zazhiganiya strukturno-neodnorodnogo tvyerdogo kondensirovannogo veshchestva [Effect of the local source of energy for ignition conditions of heterogeneous solid condensed matter]. Khimicheskaya fizika i mezoskopiya — Chemical Physics andMesoscopic, 2012, vol. 14, no. 3, pp. 334-341.

18. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Vliyaniye formy nagretoy do vysokikh temperatur chastitsy na gazo-faznoye zazhiganiye plyenki zhidkogo kondensirovannogo veshchestva [Effect of the heated till high temperature gas-phase particles on the liquid film ignition of condensed matter]. Khimicheskaya fizika — Chemical Physics, 2010, vol. 29, no. 3, pp. 1-8.

19. Kondratyev V. N., Nikitin E. E. Konstanty skorosti gazofaznykh reaktsiy: spravochnik [The rate constants for gas-phase reactions: a guide]. Moscow, Nauka Publ., 1971. 351 p.

20. Kondratyev V. N., Nikitin E. E. Kinetika i mekhanism gazofaznykh reaktsiy [Kinetics and mechanism of gas-phase reactions]. Moscow, Nauka Publ., 1974. 558 p.

21. Vysokomornaya O. V., Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Modelirovaniye zazhiganiya zhidkogo topliva lokalnym istochnikom nagreva v usloviyakh vygoraniya zhidkosti [Modeling ignition of liquid fuel local heating source in a burning liquid]. Khimicheskaya fizika — Chemical Physics, 2011, vol. 30, no. 8, pp. 62-67.

22. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Zazhiganiye nakalennoy odinochnoy chastitsey zhidkikh uglevodo-rodnykh topliv [Ignition of liquid hydrocarbon fuels by heated single particle]. Izvestiya Tomskogo politekhnicheskogo universiteta—Bulletin of Tomsk Polytechnic University, 2008, vol. 312, no. 4, pp. 5-9.

23. Vilyunov V. N., Zarko V. E. Ignition of solids. Amsterdam, Elsevier Science Publishers, 1989.442 p.

24. Paskonov V. M., Polezhaev V. I., Chudov L. A. Chislennoye modelirovaniye protsessov teplo- i masso-obmena [Numerical modeling of heat and mass transfer]. Мoscow, Nauka Publ., 1984. 277 p.

25. Frank-Kamenetskiy D. A. Diffuziya i teploperedacha v khimicheskoy kinetike [Diffusion and heat transfer in chemical kinetics]. Moscow, Nauka Publ., 1987. 490 p.

26. Loitsanskiy L. G. Mekhanika zhidkosti i gaza [Fluid and gas mechanics]. Moscow, Nauka Publ.,1984.904p.

27. Muratova T. M., Labuntsov D. A. Kineticheskiy analiz protsessov ispareniya i kondensatsii [Kinetic analysis of evaporation and condensation processes]. Teplofizika vysokikh temperatur — Thermophy-sics of High Temperatures, 1969, vol. 7, no. 5, pp. 959-967.

28. Knake O., Stranskiy I. N. Mekhanizm ispareniya [Evaporation mechanism]. Uspekhifizicheskikh nauk — Headway of Physical Sciences, 1959, vol. 68, no. 2, pp. 261-305.

29. Kutateladze S. S. Osnovy teorii teploobmena [Foundations of the theory of heat transfer]. Moscow, Atomizdat Publ., 1979. 416 p.

3 0. Shchetinkov E. S. Fizika goreniya gazov [Physics of combustion gases]. Moscow, Nauka Publ., 1965.739 p.

31. Grekov A. P., Veselov V. Ya. Fizicheskaya khimiya gidrazina [Physical chemistry of hydrazine]. Kiev, Naukova Dumka Publ., 1979. 263 p.

32. KorovinN. V. Gidrazin [Hydrazine]. Moscow, Khimiya Publ., 1980. 272 p.

33. Vargaftik N. B. Spravochnikpo teplofizicheskim svoystvam gazov i zhidkostey [Reference for thermo-physical properties of gases and liquids]. Moscow, Stars Publ., 2006. 720 p.

34. Yurenev V. N., Lebedev P. D. (eds.) Teplotekhnicheskiy spravochnik [Thermophysical reference]. Moscow, Energiya Publ., 1975. Vol. 1, 743 p.

35. Yurenev V. N., Lebedev P. D. (eds.) Teplotekhnicheskiy spravochnik [Thermophysical reference]. Moscow, Energiya Publ., 1975. Vol. 2, 896 p.

36. Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Zazhiganiye kondensirovannykh veshchestv pri lokalnom nagreve [Ignition of condensed substances with local heating]. Novosibirsk, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences Publ., 2010. 269 p.

Издательство «П0ЖНАУКА»

Представляет книгу

А. Я. Корольченко, Д. 0. Загорский КАТЕГ0РИР0ВАНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ И ЗДАНИЙ ПО ВЗРЫВ0П0ЖАРН0Й И ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ. - М.: Пожнаука, 2010.-118 с.

В учебном пособии изложены принципы категорирования помещений и зданий по взрывопожарной и пожарной опасности, содержащиеся в современных нормативных документах. На примерах конкретных помещений рассмотрено использование требований нормативных документов к установлению категорий. Показана возможность изменения категорий помещений путем изменения технологии или внедрения инженерных мероприятий по снижению уровня взрывопожароопасности и повышению надежности технологического оборудования и процессов.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Пособие рассчитано на студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальностям "Пожарная безопасность", "Безопасность технологических процессов и производств", "Безопасность жизнедеятельности в техносфере", студентов строительных вузов и факультетов, обучающихся по специальности "Промышленное и гражданское строительство", сотрудников научно-исследовательских, проектных организаций и нормативно-технических служб, ответственных за обеспечение пожарной безопасности.

121352, г. Москва, а/я 43; тел./факс: (495) 228-09-03; e-mail: mail@firepress.ru