CC BY
51
УДК 536.46
ЗАЖИГАНИЕ ВОЛН ФИЛЬТРАЦИОННОГО ГОРЕНИЯ ГАЗА НАГРЕТЫМ УЧАСТКОМ ПОРИСТОЙ СРЕДЫ
Евгений Витальевич Манжос
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 3, ведущий инженер, тел. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]
Наталья Александровна Какуткина
Институт химической кинетики и горения им. В. В. Воеводского 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: [email protected]
Алексей Анатольевич Коржавин
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: [email protected]
Александр Дмитриевич Рычков
Институт вычислительных технологий СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 6, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник
Александр Васильевич Вьюн
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент
Проведено численное моделирование зажигания волны фильтрационного горения газа нагретым участком пористой среды. Получены зависимости минимально необходимой температуры нагретого участка пористой среды для зажигания волны от следующих параметров: скорости течения газовой смеси, размеров нагретого участка пористой среды, ее эффективной теплопроводности, а также от диаметра зерен пористой среды. Описаны стадии формирования волны фильтрационного горения газа.
Ключевые слова: фильтрационное горение, горение газа, зажигание.
I GNITION OF FILTRATION COMBUSTION WAVES WITH HEATED PORTION OF POROUS MEDIUM
Evgeny V. Manzhos
Institute of Chemical Kinetics & Combustion, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, principal engineer, tel. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]
Nataliya A. Kakutkina
Institute of Chemical Kinetics & Combustion, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, Dr. of Sci., academic secretary, tel. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]
Alexei A. Korzhavin
Institute of Chemical Kinetics & Combustion, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Institutskaya, Dr. of Sci., head of laboratory of gas combustion chemistry and physics, tel. (383)333-22-96, e-mail: [email protected]
Alexander D. Rychkov
Institute of Computational Technologies, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Academika Lavrentjev av., Dr of Sci, Professor, Chief Researcher
Alexandr V. V'yun
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., docent
The numerical simulation of ignition of waves of filtration gas combustion with heated portion of the porous medium was carried out. The dependencies of minimum required temperature of the heated portion of the porous medium to ignite the wave on the next parameters: gas mixture flow rate, the size of the heated portion of the porous medium, its effective thermal conductivity, as well as the grain diameter of the porous medium were obtained. The stages of formation of filtration gas combustion wave are described.
Key words: filtration combustion, gas combustion, ignition.
Процесс фильтрационного горения газа (ФГГ) - это процесс гетерогенного горения при активном взаимодействии двух фаз: твердой пористой среды и реагирующей газовой смеси. Он имеет важное научное и практическое значение. Как пример, процесс внутренней рекуперации тепла, возникающий при ФГГ, позволяет сжигать низкоэнергетические топливные смеси, которые не горят при традиционном сжигании [1].
В настоящее время достаточно хорошо изучены стационарные волны ФГГ. Установлены закономерности стационарных режимов горения, изучены тепловые структуры и механизмы распространения волн горения в разных режимах [1, 2]. Установлены параметрические зависимости скорости горения, температуры газовой и конденсированной фаз, рассмотрена природа пределов горения, разработаны математические модели ФГГ различных уровней сложности [1, 3], изучены химические аспекты ФГГ [4].
Значительно хуже исследованы нестационарные процессы фильтрационного горения газа, включающие зажигание, гашение волн ФГГ, распространение в нестационарных параметрических условиях.
Целью настоящей работы является описание закономерностей формирования волны ФГГ в пористых средах нагретым участком пористой среды и установление предельных условий возникновения волны ФГГ в зависимости от характеристик газовой смеси и пористой среды.
Метод решения.
Математическая модель процесса ФГГ предложена в работе [1]. Модель включает уравнения переноса тепла по газу, пористой среде, уравнение переноса массы недостающего компонента газовой смеси, сохранения полного количества вещества в потоке и уравнение газового состояния.
Для изучения закономерностей формирования волны ФГГ и установления предельных условий ее возникновения использовался метод численного моделирования, поскольку данный метод позволяет оперативно отслеживать любые изменения характеристик и структуры волн горения при их многообразии [5].
На рис. 1 представлена схема моделируемой системы. Имеется труба диаметром О с участком пористой среды общей длиной Ь, с размещенным в ней нагретым участком той же пористой среды длиной I. Газ подается слева, проходит через пористую среду и зажигается, формируя волну ФГГ.
/
1 Газ 'У уч Продукты
горения
Зона нагрева\ 1
Рис. 1. Схема моделируемой системы
При моделировании процессов ФГГ приняты следующие параметры для газовой смеси: теплоемкость С.р= 1-10 Дж/кг-К, коэффициент теплопроводности /1=0.1 Вт/м-К, адиабатическая температура горения смеси 7-2320 К. Моделирование проводилось для случая адиабатического горения - отсутствия теплообмена с окружающей средой.
Характеристики пористой среды приняты следующими: теплоемкость с5=800 Дж/(кг-К), плотность /л=3900 кг/м , теплопроводность Я= 2 Вт/м-К, пористость £^=0.5; диаметр зерна от 3.7 мм. Длина участка с пористой средой принята равной Ь=200 мм и диаметр моделируемой трубы О= 50 мм.
Параметрами, предположительно влияющими на минимально необходимую для зажигания волны ФГГ температуру нагретого участка пористой среды ТщП (в дальнейшем - температуру зажигания) при одних и тех же параметрах газовой смеси выбраны следующие:
- длина нагретого участка пористой среды;
- скорость подачи газовой смеси и;
- коэффициент эффективной теплопроводности пористой среды Лф учитывающий влияние теплопроводности пористой среды и течение газовой смеси в ней;
- диаметр зерна пористой среды.
В начальный момент времени задавался нагретый до температуры Тучасток пористой среды длиной I, расположенный симметрично от краев, возможность зажигания которым исследовалась численно.
Результаты моделирования. Зависимость температуры зажигания от длины нагретого участка.
На рис. 2 представлены результаты расчета зависимости температуры зажигания от длины нагретого участка при различных скоростях подачи газовой смеси и. В результате численного моделирования видно, что температура зажи-
гания в определенных пределах слабо зависит от длины нагретого участка при постоянной скорости подачи газовой смеси. При расчетах длина нагретого участка изменялась от 10 до 120 мм, необходимая температура нагретого участка пористой среды при этом изменялась от 1231К до 1053К при скорости подачи газовой смеси 0.2 м/с и от 1526К до 1185К при скорости подачи газовой смеси 3 м/с.
Рис. 2. Зависимость температуры зажигания ТщП от длины нагретого участка I. Скорости подачи газовой смеси: 1 - 0.2 м/с; 2 - 1 м/с; 3 - 3 м/с
Зависимость температуры зажигания от эффективной теплопроводности пористой среды.
Здесь рассматривается эффективная теплопроводность вещества пористой среды Лф учитывающая течение газовой смеси и собственную теплопроводность материала ПС. В расчетах /^изменялась от ОД Вт/(м-К) до 10 Вт/(м-К). Результаты расчетов показаны на рис. 3. Рис. 3 показывает, что не происходит существенного изменения температуры зажигания газовой смеси в диапазоне изменения эффективной теплопроводности пористой среды от 1 Вт/(м-К) до 10 Вт/(м-К). При этом, влияние на температуру зажигания оказывают скорость подачи газовой смеси (с ростом скорости подачи газовой смеси растет температура зажигания) и длина нагретого участка пористой среды (с ростом длины нагретого участка пористой среды температура зажигания снижается.
Зависимость температуры зажигания от диаметра зерна пористой среды.
Результаты расчета для трех скоростей подачи газа представлены на рис. 4. Расчеты показали, что преобладает тенденция роста минимально необходимой температуры зажигания при увеличении диаметра зерна пористой среды.
Рис. 3. Зависимость температуры зажигания Tign от эффективной теплопроводности пористой среды Хф
Скорости подачи газовой смеси: 1 - 0.2 м/с; 2 - 1 м/с; 3 - 10 м/с. Штрихпунктирные линии - ширина зоны нагретой пористой среды I = 15 мм; сплошные линии - ширина зоны нагретой пористой среды I = 30 мм; пунктирные линии - ширина зоны нагретой пористой среды I = 60 мм.
Рис. 4. Зависимость необходимой температуры нагретого участка пористой среды от диаметра зерна пористой среды d.
Скорости подачи газовой смеси: 1 - 0.2 м/с; 2 - 1 м/с; 3 - 2 м/с. Штрихпунктирные линии - ширина зоны нагретой пористой среды I = 15 мм; сплошные линии - ширина зоны нагретой пористой среды I = 30 мм; пунктирные линии - ширина зоны нагретой пористой среды I = 60 мм.
Структура волны горения при зажигании волны ФГГ.
При моделировании этапы зажигания и распространения волны ФГГ были аналогичны для различных скоростей подачи газовой смеси и длин нагретого участка пористой среды. Для описания структуры волны горения выполнено моделирование при длине нагретого участка пористой среды, равной 30 мм, скорости подачи газовой смеси и =0.2 м/с и температуре нагретого участка пористой среды Т, = 1273 К.
Рис. 5. Формирование волны ФГГ
Изменение температурных профилей газа (сплошные линии) и пористой среды (прерывистые линии) в процессе зажигания волны ФГГ. Время от начала подачи газовой смеси: 1 - 5 с; 2 - 5.2 с; 3 - 5.25 с; 4 - 6.0 с.
Рассмотрим процесс зажигания волны ФГГ. На рис. 5 показаны графики температуры пористой среды (прерывистые линии) и температуры газовой смеси (сплошные линии) в осях X, Т и t где Х - координата по длине пористой среды, Т - температура, t - время процесса. На том же рисунке справа дана проекция кривых 1,2, 3, 4 в осях Х, Т. На рис. 5 видно изменение температуры газовой смеси (кривые 1, 2), зажигание газовой смеси (кривые 3) и движение сформировавшейся волны ФГГ (кривые 4). Волна ФГГ движется влево, навстречу поступающей горючей газовой смеси, поскольку скорость горения газа превышает скорость подачи свежей газовой смеси. Сначала происходит прогрев по-
ступающего горючего газа горячей пористой средой (кривые 1). Далее происходит дальнейшее повышение температуры (кривые 2) за счет начинающейся реакции горения, на которую указывает снижение концентрации горючего вещества в исходной газовой смеси. При достаточно прогретой пористой среде (кривые 3) и достаточной скорости тепловыделения от химической реакции происходит зажигание газовой смеси. Критерием зажигания газовой смеси является резкий рост ее температуры, после чего происходит быстрое (менее 1 с) смещение максимума температуры газовой смеси вдоль прогретого участка среды к холодной области слева (кривая 4). Во время прохождения волны горения газа по нагретому участку и подхода ее к холодным областям пористой среды происходит уменьшение температуры горения, что показано на проекции в осях Х, T, размещенной на рис. 5. В этой проекции показана прерывистыми линиями разница по оси температур между кривыми 3 и 4. Далее в холодных областях пористой среды идет стабильное горение в волне ФГГ и ее дальнейшее смещение влево со скоростью движения волны горения.
Выводы.
1. Проведено математическое моделирование нестационарного процесса фильтрационного горения - зажигания волн ФГГ нагретым участком пористой среды.
2. Получены зависимости необходимой для зажигания волны ФГГ температуры нагретого участка пористой среды от его ширины, от скорости потока газовой смеси, от эффективной теплопроводности пористой среды и от диаметра зерна пористой среды.
3. Описан процесс зажигания нагретым участком пористой среды волны ФГГ в пористой среде и особенности движения волны ФГГ по пористой среде.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лаевский Ю. М., Бабкин В. С. Фильтрационное горение газа // Распространение тепловых волн в гетерогенных средах / Ю. Ш. Матрос. - Новосибирск: «Наука», 1988.
2. Babkin V.S. Filtrational combustion of gases. Present state of affairs and prospects // Pure and Applied Chemistry. 1993. V. 65. No. 2. P.335-344.
3. Добрего К. В., Жданок С. А. Физика фильтрационного горения газов. Минск: Национальная Академия наук Беларуси. Институт тепло-массообмена им. Лыкова А. В., 2002.
4. Футько С. И., Жданок С. А. Химия фильтрационного горения газов. Минск: Белару-ская навука, 2004.
5. Какуткина Н. А., Рычков А. Д. Моделирование нестационарных процессов фильтрационного горения газа // Физика горения и взрыва. 2010. - Т. 46. - № 3. С. 44-51.
6. Аэров М. Э., Тодес О. М., Наринский Д. А. Аппараты со стационарным зернистым слоем: Гидравлические и тепловые основы работы. - Л.: Химия, 1979.
7. Щетинков Е. С. Физика горения газов. - М.: Наука, 1965.
© Е. В. Манжос, Н. А. Какуткина, А. А. Коржавин, А. Д. Рычков, А. В. Вьюн, 2015
