CC BY
12
УДК 614.84:536.468
ЗАЖИГАНИЕ ПЛЕНКИ ДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА ЧАСТИЦЕЙ РАСПЛАВЛЕННОГО МЕТАЛЛА В ФОРМЕ ПОЛУСФЕРЫ
Выполнено численное моделирование процесса зажигания пленки типичной горючей жидкости—дизельного топлива—одиночной частицей расплавленного металла в форме полусферы. Установлены зависимости времени задержки воспламенения от начальной температуры, размеров и теплофизических характеристик источника зажигания. Определены масштабы влияния полусферической формы разогретой частицы на время задержки воспламенения в системе пленка дизельного топлива - металлическая частица - воздух.
Ключевые слова: дизельное топливо, процесс зажигания, металлическая частица, полусферическая форма.
Введение
Огневые работы на промышленных объектах и в быту, в частности сварка и резка металлических конструкций, часто становятся причинами неконтролируемых возгораний, пожаров и взрывов [1-3]. При детальном исследовании таких явлений установлено [4, 5], что источниками зажигания выступают одиночные нагретые до высоких температур частицы обрабатываемых металлов или электродов сварочных аппаратов.
Процессы зажигания такими частицами твердых [6] и жидких [7-9] конденсированных веществ интенсивно исследуются. В частности, разработан ряд теоретических моделей зажигания жидких топлив [7, 8] и выполнены экспериментальные исследования [9]. Однако не все факторы, влияющие на реализацию условий воспламенения в системе разогретая частица - жидкое топливо - воздух, установлены. Так, например, в работах [7, 8] исследования проводились на частицах в форме параллелепипедов малых размеров, а в публикации [9] — в форме диска. В то же время при сварке или резке металлов нередко образуются частицы в расплавленном состоянии, которые имеют конфигурацию, близкую к полусфере.
Цель настоящей работы — численное исследование газофазного зажигания пленки типичного жидкого горючего вещества — дизельного топлива — частицей расплавленного металла в форме полусферы.
Постановка задачи
Зажигание пленки жидкого топлива рассматривалось в условиях частичного погружения источни-
ка нагрева в жидкость (см. рисунок), при этом толщина пленки /1 принималась меньше радиуса частицы гр. Задача решалась в осесимметричной постановке. В качестве источников зажигания принимались стальные и алюминиевые частицы. Физическая постановка, комплекс учитываемых факторов и явлений тепломассопереноса аналогичны модели [8].
Решение задачи зажигания в рассматриваемой системе (см. рисунок) сводилось к решению сформулированных ранее уравнений [8] для области парогазовой смеси и пленки жидкого топлива в декартовой системе координат с криволинейной границей. Процесс теплопроводности в частице расплавленного металла с конфигурацией полусферы описывался уравнением энергии в сферической системе координат (0 < I < ):
0< г < гр, 0< ф < л/2,
где I — время, с;
— время задержки воспламенения, с; г, ф — координаты сферической системы;
Т — температура, К;
а—температуропроводность, м2/с, а = X/(Ср); X — теплопроводность, Вт/(мК);
С — удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); р — плотность, кг/м3;
у +
Схема области решения задачи: 1 — парогазовая смесь;
2 — металлическая частица; 3 — пленка дизельного топлива
Жс — массовая скорость кристаллизации, кг/(м2-с);
Qc — тепловой эффект кристаллизации металлической частицы, кДж/кг; индекс “2” соответствует частице.
Для сопряжения декартовой системы координат, используемой при моделировании процессов тепломассопереноса в газовой (парогазовая смесь) и жидкой (пленка дизельного топлива) фазах, и сферической системы координат, применяемой для определения распределения температуры в твердой фазе (частица), вычислялись следующие комплексы (см. рисунок): Д1 = гр 8ш(ф); Д2 = гр соз(ф); Ф1 = агсзіп(/1/гр).
Начальные (ї = 0) и граничные (0 < ї < ) условия аналогичны приведенным в работе [9]. На криволинейных границах сопряжения частицы и жидкости граничные условия записывались в сферической системе координат (см. рисунок).
Метод решения
Метод решения системы уравнений, описывающих комплекс процессов тепломассопереноса при зажигании пленки жидкого топлива разогретой частицей в рассматриваемой системе (см. рисунок), аналогичен [7]. Для оценки достоверности получаемых результатов выполнялась проверка консервативности разностной схемы, алгоритм которой представлен в работе [8]. В отличие от исследований [7, 8] при решении рассматриваемой задачи проводилось сопряжение декартовой и сферической координатных сеток. Алгоритм сопряжения предусматривал пересчет величины шагов по координатам вблизи границы контакта частицы с жидкостью и парогазовой смесью.
Использовались следующие выражения:
• г < гр:
НГ1 Гр /Ыг2 , кд фр /М/$ ,
І 1 , 2, . . . , , 7 1~, 2, . . ., ;
• г > гр, 0< у < Д1, 0< х < Д2:
кхі = гр (со5(Ф - І -1,7) - со5(Ф Мя - 1,7 Л
Ну7 = гр (8Іп(фі,у) - 8Іп(фі,у_1)),
І = 1, 2, Ыг2 , 7 = 1, 2, ;
• г > гр, Д1 < у < /, Д2 < х < к:
Нхі = (к- Д2)/Мха, ку7 = (/- ДО/Ыуй,
І = ЫхХ , ЫхХ + 1, Мха , 7 = ЫуХ , N5,5+ 1, ..., МуЛ ,
где кгІ, кд — шаги по сферическим координатам; кхІ, ку7 — шаги по декартовым координатам;
Мг2, М^ — число узлов сферической системы координат;
Мха, Муа — число узлов декартовой системы координат;
І, 7 — номера узлов координатных сеток; к, / — размеры области решения в декартовой системе координат;
Фр — характерный размер области решения в сферической системе координат
(фр =Ф =я/2).
Для повышения точности и уменьшения объема вычислений число узлов координатных сеток составляло: Мг8 = Щ = 100; Мха = Муа = 400.
Результаты и обсуждение
Теоретические исследования в системе пленка горючей жидкости - разогретая металлическая частица - воздух (см. рисунок) проводились при следующих значениях параметров процесса зажигания [10-13]: начальная температура жидкости Т0 = 300 К; начальная температура частицы Тр = = 1500 К; начальная температура воздуха Ту = 308 К; начальная массовая концентрация паров воды в воздухе Ск0 = 0; тепловой эффект окисления паров топлива в воздухе Qо = 42 МДж/кг; тепловой эффект испарения жидкого топлива Qisp = 25 кДж/кг; энергия активации Е = 250 кДж/моль; предэкспо-ненциальный множитель для определения скорости окисления паров горючего к0 = 9108 с-1; температура кристаллизации материала частицы (для стали Тс = 1400 К, для алюминия Тс = 930 К); тепловой эффект кристаллизации (для стали Qc = 205 кДж/кг, для алюминия Qc = 399,4 кДж/кг); радиус частицы гр = 4 мм; толщина пленки /1 = 2 мм; размеры области решения к =10 мм и / = 20 мм. Теплофизические характеристики взаимодействующих веществ в зависимости от температуры приведены в справочниках [11-13].
В табл. 1 и 2 представлены зависимости времени задержки воспламенения от начальной температуры и размеров разогретой стальной частицы полусферической формы (см. рисунок). Видно, что,
Таблица 1. Времена задержки воспламенения в системе пленка дизельного топлива - стальная частица - воздух в зависимости от начальной температуры источника зажигания
и 1700 1600 1500 1400 1300 1200 1100 1000
к,с 0,071 0,072 0,074 0,081 0,088 0,099 0,117 0,153
¿Л с Приме1 и попереч 0,053 а н и е . 4 — ным размера 0,054 для полусфер ми кр = 1р = 3 0,057 >ы с характер] мм. 0,061 ым размером 0,069 \тр = 3 мм; і* 0,079 — для парал 0,095 лелепипеда с 0,118 продольным
Таблица 2. Времена задержки воспламенения в системе пленка дизельного топлива - стальная частица - воздух в зависимости от размеров источника зажигания при Тр = 1273 К
тр , мм 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5
^,с 0,068 0,069 0,071 0,074 0,088 0,134
как и в работах [7, 8], при увеличении Тр и характерных размеров источника нагрева значения уменьшаются. Этот результат обусловлен увеличением теплосодержания частицы и, как следствие, доли энергии, передаваемой жидкости и парогазовой смеси в рассматриваемой системе взаимодействующих веществ при повышении Тр и тр.
Следует отметить, что отклонения значений и tz* (см. табл. 1) для частиц в форме полусферы и параллелепипеда с равными характерными размерами (гр = Нр = 1р) существенны. Это вызвано значительной разницей площадей поверхностей частиц в форме полусферы и параллелепипеда, а также площадей контакта их с жидкостью. Так, например, при гр = Нр = 1р = 3 мм и /1 = 2 мм площади контакта частицы с жидкостью относительно общей площади поверхности источника нагрева в форме параллелепипеда на 15 % меньше, чем для полусферы. В таких условиях площади контакта полусферических частиц с парогазовой смесью меньше по сравнению с параллелепипедами. Это приводит к увеличению значений tzотносительно tz* (см. табл. 1).
Анализ табл. 2 и результатов [7, 8] позволяет сделать вывод о том, что в рассматриваемом случае (см. рисунок) изменение размеров полусферической частицы оказывает более масштабное влияние на характеристики процесса зажигания, чем для параллелепипеда и диска. Установленная зависимость tz от гр показывает, что при значениях гр, близких к величине /1, времена задержки воспламенения отличаются от аналогичных параметров при гр >> /1 в несколько раз. Это вызвано значительным изменением площадей контакта частицы с жидким топливом и формирующейся парогазовой смесью. Так, например, при гр = 2,5 мм большая часть поверхности (более 80 % общей площади) частицы находится в контакте с жидкостью, а формирующа-
яся парогазовая смесь подогревается за счет энергии оставшегося небольшого участка поверхности. В таких условиях процессы прогрева и испарения топлива проходят интенсивно, формируются потоки поднимающихся паровых масс, наблюдается их смешение с воздухом. Однако частица имеет ограниченный энергетический запас. Она быстро остывает за счет теплоотвода в жидкость, и меньше тепла передается на разогрев парогазовой смеси. Поэтому возрастает время прогрева смеси и увеличиваются значения tz, а при некоторых гр вообще не происходит воспламенения.
Из табл. 2 также можно сделать вывод о том, что в системе пленка жидкого горючего вещества -"горячая ” частица - окислитель определяющую роль играет отношение площадей контакта разогретой частицы с формирующейся парогазовой смесью и жидкостью. Чем больше это отношение, тем меньше время задержки воспламенения tz. При этом изменение как начальной температуры и размеров источника зажигания [7, 8], так и толщины пленки топлива /1, приводит к смещению зоны воспламенения относительно границы контакта жидкости и частицы (она может располагаться в малой окрестности источника нагрева вблизи границы испарения жидкости или быть удалена от поверхности воспламеняемого вещества).
Результаты выполненных исследований показали, что полусферическая форма частицы при Тр = 850-1300 К и гр = 3-5 мм оказывает существенное влияние на инерционность отдельных стадий и всего процесса зажигания в целом. Влияние формы разогретой частицы в данном случае на tz вызвано также тем, что изменяется определяющее в процессах теплообмена отношение площади поверхности источника нагрева к его объему (для сферических тел этот параметр минимален) [14]. Криволинейная поверхность источника зажигания при полусферической форме приводит к увеличению скоростей его остывания, росту доли энергии, передаваемой жидкости, и реализации условий воспламенения при больших значениях tz по сравнению с частицами в форме параллелепипеда и диска.
Не менее важными характеристиками, определяющими энергетический запас источника нагрева,
Таблица 3. Времена задержки воспламенения (с) в системе пленка дизельного топлива - частица - воздух в зависимости от начальной температуры и материала источника зажигания при тр =3 мм
рТ я 1100 1050 1000 950 900 850
Алюминий 0,119 0,148 0,179 0,241 0,317 0,422
Сталь 0,117 0,131 0,153 0,194 0,233 0,287
помимо Тр, Гр, а также его конфигурации, и, соответственно, оказывающими существенное значение на инерционность процесса зажигания в рассматриваемой системе (см. рисунок), являются теплофизические параметры металлов частиц и тепловые эффекты их кристаллизации. Так, например, в работе [7] установлено, что времена задержки воспламенения керосина алюминиевыми и стальными частицами, находящимися в расплавленном состоянии, существенно отличаются. При этом выявлены диапазоны изменения Тр, в которых фазовое состояние источника зажигания играет определяющую роль и, наоборот, в которых влиянием этого фактора можно пренебречь.
В табл. 3 приведены зависимости времени задержки воспламенения tz от Тр для алюминиевой и стальной частиц. Исследования выполнялись при начальных температурах источников зажигания, изменяющихся в диапазоне 850-1100 К, характеризующем широкий круг практических приложений. Установленные зависимости показывают, что при Тр = 950 К значения tт для алюминиевой и стальной частиц отличаются на 15 %. С повышением температуры частиц до Тр = 1100 К эти отклонения уменьшаются до 9 %. Полученный результат обусловлен тем, что алюминий плавится при Тс = 930 К, а стальная частица начинает плавиться лишь при Тс = 1400 К. При Тр = 950-1100 К за счет тепла, выделяемого при кристаллизации алюминия, процесс зажигания топлива реализуется при меньших значениях tz по сравнению с алюминиевыми частицами в твердом состоянии. Поэтому в диапазоне Тр = 950-1100 К уменьшаются отклонения tz для расплавленных алюминиевых и находящихся в твердом агрегатном состоянии стальных частиц (доминирующую роль играет фазовый переход при кристаллизации алюминиевой частицы).
При Тр < 950 К отклонения времен задержки воспламенения пленки дизельного топлива сталь-
ными и алюминиевыми частицами также существенны (см. табл. 3). Однако в этом случае установленная закономерность объясняется не влиянием фазовых переходов при кристаллизации материалов частиц, а отличием теплофизических характеристик рассматриваемых металлов. Так как температуропроводность алюминия в несколько раз превышает аналогичный показатель для стали (в большей степени за счет значительной разности плотностей металлов) [13], то алюминиевым частицам свойственна меньшая термоинерционность. За счет теплоотвода в жидкость и парогазовую смесь алюминиевые частицы остывают быстрее, чем стальные. Вследствие этого процесс зажигания в рассматриваемой системе взаимодействующих веществ (см. рисунок) стальной частицей характеризуется меньшими значениями tz по сравнению с алюминиевой.
Выводы
Анализ результатов выполненных теоретических исследований показал, что конфигурация поверхности контакта источника нагрева с жидкостью и парогазовой смесью оказывает существенное влияние на характеристики процесса зажигания в системе разогретая металлическая частица полусферической формы - пленка дизельного топлива - воздух. Это вызвано изменением отношения площади источника зажигания к его объему. Частицы в форме полусферы с ограниченным энергетическим запасом быстрее остывают по сравнению с частицами в форме параллелепипеда и диска при равных характерных размерах, а процессы зажигания такими частицами характеризуются повышенными значениями времен задержки воспламенения. Однако в некоторых диапазонах изменения основных параметров частицы (например, при Тр > 1500 К и Гр >5 мм) влияние формы источника нагрева несущественно и главную роль в исследуемом комплексе процессов тепломассопереноса, как и в работах [7, 8], играет энергетический запас источника зажигания.
***
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 06-08-00366-а).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Новости, конференции, выставки // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, №4. — С. 8.
2. Старков, Н. Н. Пожарная опасность предремонтной подготовки резервуаров. Перспективы развития способов очистки резервуаров / Н. Н. Старков, В. Н. Злодеев // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 4. — С. 45-47.
42
0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2009 ТОМ 18 №3
3. Бочкарев, А. Н. Анализ инцидентов, связанных с пожарами в аэропортах, и методы обеспечения пожаровзрывобезопасности объектов воздушного транспорта / А. Н. Бочкарев // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 4. — С. 59-62.
4. Маршал, В. Основные опасности химических производств / В. Маршал. — М. : Мир, 1983.
— 671 с.
5. Хренов, К. К. Сварка, резка и пайка металлов / К. К. Хренов. — М. : Машиностроение, 1970.
— 408 с.
6. Таратушкина, Г. В. Теплоперенос при зажигании конденсированных веществ и эрозии конструкционных материалов при инерционном осаждении твердых горячих частиц : дис. ... канд. физ.-мат. наук / Г. В. Таратушкина. — Томск, 2004. — 184 с.
7. Кузнецов, Г. В. Влияние фазового состояния частиц металлов на условия зажигания пожароопасных жидкостей / Г. В. Кузнецов, П. А. Стрижак// Пожаровзрывобезопасность. — 2008.
— Т. 17, № 4. — С. 17-21.
8. Кузнецов, Г. В. Зажигание накаленной одиночной частицей жидких углеводородных топлив / Г. В. Кузнецов, П. А. Стрижак// Известия Томского политехнического университета. — 2008.
— Т. 312, № 4. — С. 5-9.
9. Кузнецов, Г. В. Зажигание дизельного топлива одиночной “горячей” металлической частицей / Г. В. Кузнецов, А. В. Захаревич, В. И. Максимов // Пожаровзрывобезопасность. — 2008.
— Т. 17, № 4. — С. 28-30.
10. Щетинков, Е. С. Физика горения газов / Е. С. Щетинков. — М.: Наука, 1965. — 739 с.
11. Корольченко, А. Я. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения : справочник : в 2 ч. / А. Я. Корольченко, Д. А. Корольченко. — Изд. 2-е, перераб. и доп. — М. : Пожнаука, 2004. —Ч.1. — 713с.
12. Варгафтик, Н. Б. Справочник по теплофизическим свойствам газов и жидкостей / Н. Б. Вар-гафтик. — М.: Старс, 2006. — 720 с.
13. Теплотехнический справочник : в 2 т. / Под ред. В. Н. Юренева, П. Д. Лебедева. — М. : Энергия, 1975. — Т. 1. — 743 с.; Т. 2. — 896 с.
14. Лыков, А. В. Теория тепло- и массопереноса / А. В. Лыков. — Л. : Госэнергоиздат, 1963.
— 479 с.
Материал поступил в редакцию 03.02.09. © Кузнецов Г. В., Стрижак П. А., 2009 г. (e-mail: elf@tpu.ru, pavel-strizhak@yandex.ru).
