CC BY
9
УДК 536.46
ПРЕДЕЛЫ ЗАЖИГАНИЯ ВОЛН ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ГАЗА НАГРЕТЫМ УЧАСТКОМ ПОРИСТОЙ СРЕДЫ
Евгений Витальевич Манжос
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, ведущий инженер, тел. (383)333-02-17, e-mail: eugen.manzhos@kinetics.nsc.ru
Наталья Александровна Какуткина
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник, ученый секретарь, тел. (383)333-22-96, e-mail: kktk@kinetics.nsc.ru
Алексей Анатольевич Коржавин
Институт химической кинетики и горения СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, доктор технических наук, доцент, зав. лабораторией физики и химии горения газов, тел. (383)333-22-96, e-mail: korzh@kinetics.nsc.ru
Александр Дмитриевич Рычков
Институт вычислительных технологий СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник
Проведено численное моделирование зажигания волны фильтрационного горения газа (ФГГ) нагретым участком инертной пористой среды. Получены зависимости времени зажигания волны от скорости течения газовой смеси, температуры нагретого участка пористой среды и его длины. Установлено наличие пределов зажигания волны ФГГ и обсуждается их природа.
Ключевые слова: фильтрационное горение, горение газа, зажигание.
THE LIMITS OF IGNITION OF FILTRATION GAS COMBUSTION WAVES WITH HEATED AREA OF THE POROUS MEDIUM
Evgeny V. Manzhos
Institute Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 3, Institutskaya St., Novosibirsk, 630090, Russia, Leading Engineer, phone: (383)333-02-17, e-mail: eugen.manzhos@kinetics.nsc.ru
Natalya A. Kakutkina
Institute Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 3, Institutskaya St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Senior Researcher, Academic Secretary, phone: (383)333-22-96, e-mail: kktk@kinetics.nsc.ru
Aleksey A. Korzhavin
Institute Chemical Kinetics and Combustion SB RAS, 3, Institutskaya St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Associate Professor, Head of Laboratory of Gas Combustion Chemistry and Physics, phone: (383)333-22-96, e-mail: korzh@kinetics.nsc.ru
Alexander D. Rychkov
Institute of Computational Technologies SB RAS, 6, Prospect Аkademik Lavrentiev St., Novosibirsk, 630090, Russia, D. Sc., Professor, Chief Researcher
The numerical simulation of ignition of waves of filtration gas combustion (FGC) with heated portion of the porous medium was carried out. The dependencies of the wave ignition times on gas mixture flow rate, the temperature of the heated portion of the porous medium and his size were obtained. It was established existence of ignition limits of the FGC waves and discusses their nature.
Key words: filtration combustion, gas combustion, ignition.
Распространение волны горения в пористых средах при фильтрации газа или фильтрационное горение (ФГ) в настоящее время активно исследуется. Процессы ФГ включаются в технологические схемы различных производств. К таковым, например, относятся доменная выплавка чугуна, обжиг и агломерация руд, регенерация катализаторов методом выжигания коксовых отложений, добыча нефти с помощью внутрипластового горения и др. [1, 2].
Среди процессов ФГ благодаря особым свойствам и закономерностям как самостоятельный вид гетерогенного горения выделено фильтрационное горение газов (ФГГ) [3] также находящее широкое применение в различных устройствах.
В настоящее время изучены закономерности стационарных процессов ФГГ: построены модели, интерпретирующие экспериментально наблюдаемые явления и закономерности [3, 4]. Проведена классификация режимов ФГГ [3, 4]. Изучены определяющие параметры и параметрические зависимости скорости распространения и температуры волн горения. Исследованы особенности протекания химических превращений в процессах ФГГ [5].
Недостаточно исследованными остаются нестационарные процессы фильтрационного горения газа, включающие зажигание, гашение волн ФГГ, распространение в нестационарных параметрических условиях. Такие процессы происходят при работе любого устройства на основе ФГГ.
Ранее были получены зависимости минимально необходимой для зажигания волны ФГГ температуры нагретого участка пористой среды от его длины, скорости потока газовой смеси, эффективной теплопроводности пористой среды и от диаметра зерна пористой среды [6]. Целью настоящей работы является исследование пределов зажигания волн ФГГ нагретым участком пористой среды в зависимости от скорости подачи газа, температуры нагретого участка и его длины.
Удобным и информативным методом исследования нестационарных процессов ФГГ является метод численного моделирования [7]. В настоящей работе использовался тот же метод, что в и работе [6]. При этом параметры газа и пористой среды приняты наиболее близкие практическим.
Для газовой смеси приняты параметры: теплоемкостьС^=1 кДж/(кг-К), коэффициент теплопроводности ^g=0.1 Вт/(м-К), адиабатическая температура горения смеси7=2320 К. Моделирование проводилось для случая адиабатического горения - отсутствия теплообмена с окружающей средой.
Характеристики пористой среды выбраны следующими: теплоемкость cs=800 Дж/(кг-К),плотность ps=3900 кг/м , теплопроводность Xs=2 Вт/(м-К), по-
ристость £=0.5; диаметр зерна от 3.7 мм. Длина участка с пористой средой принята равной Ь=200 мм, диаметр моделируемой трубы В=50 мм, длина размещенного в пористой среде нагретого участка 1= 50 мм.
В начальный момент времени задавался нагретый до температуры Т^п участок пористой среды длиной I расположенный симметрично от краев, возможность зажигания которым исследовалась численно. Количественной характеристикой процесса формирования волны ФГГ выбрано время зажигания ¿¡ёп - время от начала моделирования до возникновения квазистационарной волны ФГГ.
На рис. 1 представлены результаты расчета зависимости от скорости подачи газовой смеси V при постоянных I и Т^п.
Рис. 1. Зависимость ¿¡„п от скорости подачи газа V при Т^п = 1145К, I = 50 мм
Зависимость от V носит Ц-образный характер. Со стороны низких скоростей подачи газа при стремлении V к некоторому значению vmin время зажигания волны ФГГ асимптотически стремится к бесконечности. Далее, по мере увеличения скорости подачи, время зажигания волны ФГГ сначала уменьшается, достигая минимального значения, и затем снова начинает возрастать. Начиная с некоторого значения скорости подачи газа vmax зажигание невозможно. При этом ¿¡ёп не стремится асимптотически к бесконечности, как в случае нижнего предала, а достигает определенного максимального значения при некотором значении Vmax.
Предположительно наличие нижнего предела зажигания обусловлено малым количеством поступающей горючей смеси, вследствие низкой скорости подачи газа. При этом скорость выделения тепла реагирующего газа может оказаться ниже скорости оттока тепла за счет теплопроводности.
Наличие верхнего предела предположительно обусловлено тем, что вследствие высокой скорости движения поступающего газа он не успевает набрать нужной для воспламенения температуры при перемещении по нагретому участку пористой среды.
Обнаружен предел по температуре нагретого участка Tign при постоянных v и l. При малых значениях Tign зажигания волны ФГГ не происходит. Предел вероятно обусловлен недостаточным нагревом свежей смеси при прохождении нагретого участка, вследствие его низкой температуры.
При больших значениях Tign время зажигания волны ФГГ изменяется слабо, стремясь к некоторому значению tign.
Также обнаружен нижний предел зажигания по длине нагретого участка пористой среды l при постоянных v и Tign. При малых l зажигания волны ФГГ не происходит. Как и в случае верхнего предела по скорости подачи газа этот предел имеет конечное значение. Конечная величина l обусловлена тем, что газ успевает приобрести температуру, нужную для вспышки, только при определенном времени нахождения в нагретом участке прямо пропорциональном его длине.
При больших значениях длины нагретого участка время зажигания волны ФГГ изменяется слабо, стремясь к некоторому конечному значению.
Выводы
1. Проведено математическое моделирование нестационарного процесса фильтрационного горения - зажигания волн ФГГ нагретым участком пористой среды.
2. Получены зависимости времени зажигания волны ФГГ от скорости потока газовой смеси, от температуры нагретого участка пористой среды и его длины.
3. Сделаны предположения о природе пределов зажигания волны ФГГ по скорости подачи горючего газа, по температуре нагретого участка пористой среды и его длине.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Теория фильтрационного горения: общие представления и состояние исследований/ Алдушин А.П., Мержанов А.Г. // Распространение тепловых волн в гетерогенных средах. -Новосибирск: Наука. Сиб. отд-ние, 1988.
2. Applications of porous media combustion technology - A review. M. Abdul Mujeebu, M.Z. Abdullah, M.Z. Abu Bakar, A.A. Mohamad, M.K. Abdullah. AppliedEnergy 86 (2009), pp. 136-1375
3. Лаевский Ю. М., Бабкин В. С., Фильтрационное горение газа// Распространение тепловых волн в гетерогенных средах / Ю. Ш. Матрос. - Новосибирск: "Наука", 1988.
4. Добрего К.В., Жданок С.А. Физика фильтрационного горения газов. Минск: Национальная Академия наук Беларуси. Институт тепло-массообмена им. Лыкова А.В., 2002.
5. Футько С.И., Жданок С.А. Химия фильтрационного горения газов. Минск: Белару-ская навука. 2004.
6. Зажигание волн фильтрационного горения газа нагретым участком пористой среды / Е. В. Манжос, Н. А. Какуткина, А. А. Коржавин, А. В. Вьюн // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2015. XI Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «СибОптика-2015» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 13-25 апреля 2015 г.). - Новосибирск : СГУГиТ, 2015. Т. 1. - С. 223-229.
7. Моделирование нестационарных процессов фильтрационного горения газа. Какуткина Н.А., Рычков А.Д. Физика горения и взрыва. 2010. Т.46. №3. С. 44-51.
© Е. В. Манжос, Н. А. Какуткина, А. А. Коржавин, А. Д. Рычков, 2018
