CC BY
59
УДК 536-46
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ПЛАМЕНИ НАД ЖИДКИМ ТОПЛИВОМ В МИНИ-КАНАЛАХ
Валерий Владимирович Замащиков
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, тел. (383)333-22-96, e-mail: albor@kinetics.nsc.ru
Aлексей Aнатольевич Ko^ржавин
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, доктор технических наук, доцент, заведующий лабораторией физики и химии горения газов, тел. (383)333-22-96, e-mail: korzh@kinetics.nsc.ru
Eвгений Aнатольевич Чиннов
Институт теплофизики им. С. С. Кутателадзе СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 1, доктор физико-математических наук, доцент, ведущий научный сотрудник, тел. (383)316-51-37, e-mail: chinnov@itp.nsc.ru
Исследовано влияние высоты канала, расхода и состава окислителя на скорость пламени, распространяющегося вдоль поверхности жидкого н-бутанола в узком прямоугольном канале при комнатной температуре. В качестве окислителя использовался воздух, обогащенный добавками кислорода. Скорость пламени возрастает с увеличением концентрации кислорода до значений близких к нормальной скорости, соответствующей гомогенной стехио-метрической газовой смеси.
Ключевые слова: горение жидкости, диффузионное горение, узкие каналы.
FLAME SPREAD OVER LIQUID FUEL IN MINICHANNELS
Valery V. Zamashchikov
Institute of chemical kinetics and combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, Dr. Sci., tel. (383)333-22-96, e-mail: albor@kinetics.nsc.ru
Alexei A. Korzhavin
Institute of chemical kinetics and combustion SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, Dr. Sci., head of laboratory of gas combustion chemistry and physics, tel. (383)333-22-96, e-mail: korzh@kinetics.nsc.ru
Eugeny A. Chinnov
Institute of Thermophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, pr. Akademika Lavrentjeva, 1, Dr. Sci., tel. (383)3165137, e-mail: chinnov@itp.nsc.ru
Effect of the channel height, rate and composition of the oxidizer on the rate of flame that spreads along liquid n-butanol surface in narrow rectangular channel at room temperature. As an oxidizer there used air enriched with oxygen. Flame rate increases with increase in oxygen concentration up to the values of laminar burning of corresponding homogeneous stoichiometric gas mixture.
Key words: combustion of liquid, diffusion combustion, narrow channels.
Над поверхностью жидкого топлива, пары которого не способны гореть при их перемешивании с воздухом, может распространяться пламя. Механизм распространения пламени, согласно [1], заключается в прогреве продуктами горения жидкости и передаче по ней тепла в направлении, в котором движется волна горения. Это приводит к увеличению давления паров жидкости перед зоной химического превращения. Принято считать [1], что конвективная теплопередача по жидкости осуществляется благодаря градиенту коэффициента поверхностного натяжения. В работах [1-3] исследовалось распространение пламени в условиях большого свободного пространства над жидкостью. Однако, если размеры установки уменьшать, то возникает ряд особенностей. Прежде всего, уменьшение размеров реактора приводит к увеличению отношения площади стенок к его объему, что обуславливает более высокую интенсивность теплообмена в микросистемах. В связи с этим возникают проблемы, связанные с тем, что существует критический размер hcr. В системах с характерным размером меньше hcr пламя неспособно распространяться. Для углеводородо-воздушных смесей критический размер щели порядка 2 мм [4, 5]. Распространение пламени в таких условиях исследовалось в [6]. Показано, что скорость пламени зависит от скорости набегающего окислителя, размера реактора, начальной температуры и других параметров. Цель настоящей работы - исследовать особенности диффузионного горения пленки топлива при встречном по отношению к направлению распространения пламени потоке окислителя в условиях узкого плоского канала, высота которого близка к критическому. Особое внимание, при этом, уделено влиянию состава окислительной смеси на скорость пламени. В качестве горючей жидкости был выбран н-бутанол, а в качестве окислителя - воздух с добавками кислорода.
Эксперименты проводились в канале, высота которого была на порядок меньше его ширины. Это было сделано для того, чтобы по возможности создать двумерную структуру течения потоков и фронта пламени. Рабочий участок установки состоит из двух параллельных кварцевых пластин, расстояние между которыми (высота канала) h задается двумя металлическими прокладками тол-
о
щиной 1.0 и 0.5-мм. В нижней пластине под углом около 11 к ее поверхности сделано плоское сопло толщиной около 150 мкм, через которое в пространство между пластинами подается жидкость. Размеры канала: длина - 270 мм, ширина - 42 мм, высота определялась толщиной металлических прокладок. Установку можно наклонять в двух плоскостях. При проведении экспериментов наклон плоскости канала к горизонту в направлении течения устанавливался равным 1.3°±0.3°.
Жидкость с помощью высокоточного перистальтического насоса подавалась в канал через плоское сопло. Расход жидкости в данной серии экспериментов изменялся от 0.0140 ±0.0001 мл/с.
Окислительная газовая смесь подавалась в одной стороны канала, а вторая сторона канала была открыта. Окислительная смесь готовилась в смесителе высокого давления по парциальным давлениям. Готовая смесь подавалась в канал через регулятор расхода El-Flow фирмы Bronkhorst. Точность приготовления
смеси - 5%. Регистрация процесса горения осуществлялась сверху в области между вводом жидкости и открытым концом канала цифровыми видео и фотокамерами.
Поджиг осуществлялся открытым пламенем на выходе из канала. После инициирования горения измерялась зависимость координаты фронта пламени от времени. По наклону этой зависимости определялась скорость пламени (либо определялась средняя скорость в случае неравномерного распространения пламени). Точность измерения скорости - 5 %.
Опыты показали, что в этих каналах без подачи газа при небольших расходах жидкости жидкость течет только вдоль боковых стенок, при увеличении расхода она течет, перекрывая весь канал. Если после того как жидкость перекроет весь канал подавать газ, наблюдается сложное течение жидкости: жидкость течет и вдоль боковых стенок и вдоль нижней поверхности, причем течение нестационарное. Толщина пленки жидкости, текущей по нижней поверхности, измерялась по рассеянию света лазера с длиной волны 532 нм. Для этого в н-бутанол добавлялся родамин 6ж. Пленки имела неодинаковую толщину в разных точках нижней поверхности, и ее значение составляло порядка 100 мкм.
Первые эксперименты показали, что если в качестве окислителя использовать воздух, то пламя заходит в канал и гаснет. Для того чтобы пламя не гасло, в воздух добавлялся кислород. Чем меньше высота канала, тем больше необходимо было добавлять кислорода для того, чтобы пламя могло распространяться по каналу.
Характер распространения пламени зависел от содержания кислорода в окислительной смеси. При фиксированной высоте канала с увеличением доли кислорода в окислительной смеси изменялась поверхность фронта пламени, и возрастала средняя скорость пламени. При небольших скоростях пламя, как правило, распространяется, слегка забегая на каких-то участках вперед, затем отстающие участки его догоняют. Перед фронтом горения по жидкости движется волна шириной около 2 см.
Влияние скорости газа на пламя заключалось в том, что с уменьшением расхода окислителя длина пламени уменьшается, его яркость становится меньше, оно становится более плоским, а при уменьшении расхода жидкости (толщины пленки) оно часто становится несимметричным. При прочих равных условиях пламя короче в канале меньшей высоты.
С увеличением доли кислорода в окислительной смеси скорость пламени возрастает, фронт пламени искривляется. В случае, когда окислителем является чистый кислород, в канале высотой 1 мм средняя скорость распространения пламени становится сравнимой со скоростью распространения пламени в гомогенной стехиометрической углеводородо-кислородной смеси (3 м/с). Причем пламя распространяется с пульсациями, так что скорость достигает значений порядка 7 м/с, т. е. больших, чем нормальная скорость гомогенного газового пламени.
Зависимости скорости пламени от скорости газа в каналах высотой 1 и 0.5 мм при разном содержании кислорода в смеси показаны на рис. 1. На рис. 1
видно, что при добавках до 60 % кислорода в смеси зависимости скорости пламени от средней скорости газа схожи с полученными в более высоких каналах [6]. Однако для чистого кислорода эта зависимость изменяется на противоположную. Если сравнивать среднюю скорость распространения пламени в потоке кислорода в канале высотой 1 и 0.5 мм, то видно, что не только скорость уменьшается при уменьшении высоты канала, но также изменяется тренд этой зависимости.
Оценки показали, что для небольших скоростей пламени толщина слоя жидкости была порядка характерных толщин теплового и гидродинамического слоев, поэтому высота жидкости могла оказывать влияние на процесс распространения пламени. Однако отметим, что при этом жидкость не испаряется полностью после прохода пламени, так как в опытах пламя способно несколько раз пробегать над пленкой.
1
2
3
4
5
6
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 V, m/s
Рис. 1. Зависимость средней скорости пламени от средней скорости газа при различных добавках кислорода и высотах канала. Высота канала 1.0 мм (1-5), 0.5 мм - 6. Добавка кислорода в воздух: 1 - 24%, 2 - 30%, 3 - 40%, 4 - 60%,
5 - 6 чистый кислород
Ранее [1-3, 6] при исследовании горения жидкости были получены скорости распространении пламени порядка нескольких сантиметров в секунду. В данной работе получены скорости во много раз больше, сравнимые со скоростями распространения пламени в гомогенных углеводородо-кислородных смесях. В связи с этим можно было предположить, что нижний концентрационный предел для н-бутанола зависит от соотношения азота к кислороду, т. е. в кислороде нижний предел ниже, чем в воздухе и в канале образуется предварительно перемешанная горючая смесь. Для проверки этой гипотезы в бомбе постоянного объема нагревался н-бутанол до температур, при которых проводились эксперименты и выше, и определялось, способна ли гореть полученная при пере-
со
мешивании с воздухом смесь. Опыты показали, что при тех температурах, при которых проводились эксперименты, концентрация насыщенных паров н-бутанола недостаточна для образования горючей смеси.
В связи с эти непонятен механизм распространения пламени над жидкостью при больших скоростях. Принято считать [1], что основным механизмом передачи тепла по жидкости является термокапиллярный. Для распространения пламени с такой большой скоростью необходимо, чтобы нагретая жидкость перемещалась в область перед фронтом пламени с такой же большой скоростью. Сделанные оценки градиента температур, который должен возникнуть для того, чтобы обеспечить такую большую скорость, показали, что этот механизм передачи тепла по жидкости вряд ли реализуется. Поэтому вопрос о механизме распространения пламени в кислородных смесях остается открытым.
Выводы.
1. Проведено экспериментальное исследование распространения пламени навстречу потоку окислителя над тонкими пленками жидкого топлива с давлением паров ниже бедного предела в узком плоском канале.
2. Показано, что скорости распространения пламени могут быть большими, сравнимыми с нормальной скоростью распространения пламени в стехио-метрической гомогенной газовой смеси.
3. Скорость пламени зависит от скорости окислителя, В зависимости от содержания кислорода она может, как увеличиваться, так и уменьшаться с ростом скорости окислителя.
4. Вопрос о механизме распространения пламени с высокой скоростью в кислородных смесях остается открытым.
Работа частично поддерживалась по междисциплинарному проекту № 116 Сибирского отделения РАН, 2014, и гранту РФФИ № 13-08-00480.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Ross Howard D., Miller Fletcher J. Detailed Experiments of flame spread across deep bu-tanol pools // Proceedings of the Combustion Institute. - 1996. - Vol. 26. P. 1327-1334.
2. Ross Howard D and Miller Fletcher J. Flame spread across liquid pools with very low-speed opposed or concurrent airflow // Proceedings of the Combustion Institute. -1998. - Vol. 27. P. 2723-2729.
3. Schiller D.N., Sirignano W.A. Opposed-flow flame spread across n-propanol pools // Proceedings of the Combustion Institute. - 1996, Vol. 26. P. 1319-1325.
4. Розловский А.И. Основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами. -М.: Химия, 1980. -376 с.
5. Основы горения углеводородных топлив. Пер. с англ. Под ред. Хитрина Л.Н. и Попова В.А.. Из-во «Иностранной литературы», М., 1960.
6. Замащиков В.В., ^ржавин A.A., Чиннов E.A. Горение н-бутанола в плоском мини-канале // Теплофизика и аэромеханика. - 2014.- Т. 21, № 3. - С. 415-418.
© В. В. Замащиков, А. А. Коржавин, Е. А. Чиннов, 2015
