Горение пен, заполненных горючими газовыми смесями тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ



РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК . ..- ' Ч'.' , СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ

ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ И ГОРЕНИЯ

- На правах■рукописи . УДК 541.182.45:614.841.12

■ . - * ^. Замащиков ВалерийВладимирович

ГОРЕНИЕ.ПЕН, ЗАПОЛНЕННЫХ ГОРЮЧИМИ ГАЗОВЫМИ СМЕСЯМИ

.01.04.17 - химическая ■ в том числе физика горения и взрыва

; . '

> '

Авторе Ф е р а т диссертации на соискания ученой степени кандидата Физико^матёЫатвчёских•наук

. , ; ■ у;.-,;

Новосибирск - 1994

■ . . .. 4

'' '■''■ 'У

' 1 ^ ■" Г. г' \

Общая характеристика работы.

Актуальность проблемы: Динамика тепловых волн в дисперсных системах являетря энергично развивающимся направлением химической кинетики. Пены представляют собойразновидностьдвухфазных газожидкостных дисперсных систем. Легкость образования пен (при переливании жидкостей, вскипании, пробулькивании газов, Встряхивании^ обуславливает их широкое распространени§в природе и техногенной 'сфере, в ряде случаев возможно образование, горючихпен. Настоящая -работа посвящена исследованию горения одной из разновидностей горючих пен - водоосновных пен, заполненых горючимигазами.

Решение вопроса обеспечения пожаровзрывобезопасности производств, чв которых образуется горючая п§на, вопроса о возможности создания новых технологий, в основе которых лежит горение пен, а также ряда других вопросов возможно лишь на основе углубленного изучения процесса горения таких систем. • • , х

- Надь работы изучение процесса горения водоосновных пен с. горючей газовой смесью, включая; исследование динамических характеристик волны горения, поиск стационарных реж^м^в и.'областей их существования, устан9влёние -определяющих параметров и; параметрических зависимостей скорости горений: пен, установление механизма распространения стационарных волн горения, математическое описание процесса. ■ - "" . ,р - . ■ • ■•" - ■

• ^Научная новизна. Впервые проведено комплексное ; зксперимен-. тальное -й теоретическое исследование процессов горения водоосновных пен с горючей разовой смесью,''в результате'которого: ^„обнаружен стационарный режим горё^ни^ пен, ВБШвлёна природа не-стационарных эффектов, показана-их с

- определены основные параметрические зависимости скорости горет ния пен; . . /

- предложен механизм горения пен, позволяющий объяснить наблюдаемые эксперийентальные закономерности;

обнаружено принципиально . новое явление акустической накачки пен,7 которое может сопровождать процесс горение, дана его. ин-терпритация. .'"_■_" .'.., '-

■Исследования показали, что горение пены сложное явление, включающее диспергирование пенных пленок с образованием аэрозоля во фронте пламени., испарение жидкости, межфазный' теплообмен, пе-ретекание ' жидкости между структурными элементами пены и др.-,;. ко-

с калиброванными отверстиями;1 на которую наливали слой пенообра-зующей жидкости - раствор сульфонола в воде. Гомогенные,метано- и водородовоздушные смеси.используемые для формирования пены, готовили в смесители по парциальным давлениям. ^

При атмосферном давлении :исследования горения пен проводились в горизонтальной стеклянной трубе,'соединенной с пеногенера-тором. В опытах использовались трубы разного диаметра'идлины. Труба вращалась с частотой 1 Гц для предотвращения вытекания жидг-кости из пены. Кратность (К).определялась путем взвешивания'отобранного образца пены. Изменяли.величину кратности дозированным вливанием с помощью перистальтического насоса пенообразунмцей жидкости в пену на входе в реакционную трубу. Диапазон изменения кратности составлял от 30 до 1600. '.;■

Средний размер пузырьков пены (с1) варьровался в пределах от 2 до.4 мм путём изменения размера отверстий в сетке пеногенерато-ра. ■"' Измёря'ли с1 по отпечаткам,, оставленным пеной на специальной фиксирующей подложке (стеклянная пластина с . нанесенным водным раствором желатина; подкрашенным родамином). , . - '

■ •' *®*ад» ^тру<5ы элект-

рическим разрядом или открытым пламенем, ¿¿¿■''/■'(•-¿г:; . -Ъг -'

; Перемещение пламени по трубе регистрировали с помощью сканирующего устройства." Вращающееся зеркало (периЬд вращения 62 мс) в зависимости от своего положения направляло на диафрагму ФЭУ изображение определенного участка трубы, Таким гобразом, зеркало перит-одически ...сканировало всю трубу . Метка начала> сканирования -создавалась лазерным пучком, который отражался от второго зеркала, расположенного на общей оси вращения1 с основным . зеркалом. Время сканирования трубы 6,5 мсСигнал с фотодиода о начале, сканирования и сигнал с фотоумножителя от светящегося фронта пламени поступали на усилитель, а затем на аналого-цифровой преобразователь и в ЭВМ. В ЭВМ запоминалось:время между меткой.начала рканирова-ния и - информационным сигналом^ свечением > пламени.) ; ■ •■ ■ , . , . ,

Опыты при повышенных давлениях проводили в закрытой сферической бомбе объемом 3-л. Бомбу предварительно заполняли воздухом до заданного г начального давления. После выравнивания давления.е бомбе и- пеногенераторе устанавливали постоянный. расход газовой смеси .через пеногенератор .. и бомбу Образующаяся; пена, вытесняя воздух, полностью заполняла бомбу. Поджигали пену ■.; электрическим разрядом в - центре бомбы. Регистрацию горения осуществляли по за-

3

чески стационарно (кривая 4) и бёззвуЗио, а при низких К - ста-

- ционарно с незначительным ускорением в Конце трубы (кривая .3), которое сопровождается усилением звукового сопровождения .-

Скорость распространения пламени определялась кцк тангенс угла наклона кривой Х(1) в случае' 9тационарного распространения и как средняя скорость на всей длине т&убы при отсутствии стационарного участка. - " Скорость пламени Э в'бомбеч постоянного объема определялась нача(*%н@му учаютк^ рое?а давления »ОДдоэдОДИц«;.'. ят»."щ

горения твмпёратура газа в, £уэыр^ах' пены -рстаед^я^оетоян-ц рд№а' коинатЛой;. Нетрудно в атом прёд,поло*ении получать, что: - -V . '' • 4 -' " '■

-" =.. з=в*гт/рр-п^гт/тр-1п'* ■■ ;.-■•

• Л '

где РХ и Р2 -значения давления в,' пределах нан^ьвдго участка, 431 р >4?'. -Ш зиа^чени? времени на кривой записи дав-^

дения, Рх - начальное давАе»ие, В ^радиусбомбы, £ т коэффициент I расширения . Величина <1-1/Е)1/« слаб<? зависит от , -

, раср^ршдадак"» пдлаг^лась равной 1. - ■ ■'<". -

,./-'.О,- Влияние кратко,сти на стщсуь распространения племени (¿У в метановых (кривые 1-3) и нородны* ' (крйвые 4-7 ) пёнах_ при атмосферном Ъ&ртъщвуе* рис:?-, видно-, что п^и переходе от кривой 7 к кривой 1 гйрактее-' расснатриваемой зави.т-

• ?! Зависимости рк^о.сти горения ' пен - р метановоздушым!?: 1^та!<31Ц, %г 8*С|Ц, 3 - 9,8ХСН«,. и. водородовоз-

И.вХНг, . 6 ' 13ХН2, 7 - ^ХИв.-СН^свЩ' ^- краткости, Штриховые,линии т расчетные. •

сииости меняется. Кривая 4 содержит все характерные особенности о<етад%* ных кривых, поэтому остановимся на ней -подробнее. Здесь, мок«} выделить

- три характерных учаЬтка; На : вервой ' '.с "

г.ит

эксперимента^ *Тем не Мбне© именно эти т^ены медленнее всего горе-**

ли ~ т? •» * ' >• р-

' Постепенное снижение концентрации сульфонола приводит к за-„комерной трансформации йкепериментальйых Кривых, с уменьшением концентраций положение минимума вчзависимостях Б(К) заметно сме-даетрЯ' В высокократную область Параллельно минимуму смещается и положение максимуму, соответствующее переходу к участку спада скорости горения Таким^образом, изменение концентрами« поверхностно-активного вещества в пенообраэуюрей жидкости не'приводит к изменению характера зависимости. Э(К), а'лишь к уменьшению абсолютных величин скорости и смещению всех особенностей кривой в высокократную область.

Рис. 4 иллюстрирует влияние дисперсности пены на 8(К). Небольшое изменение среднего размера пузырьков п$ны (1 от 2 да 2,8 мм практически не сказывается на виде этой зависимости. Увеличение <1 до 4 мм приводит к существенному росту Б во всем диапазоне К. При этом

Рис. 4. Зависимости скорости горения пен с'*9.52-ной метановоздущноЯ смесью от кратности при^разной дисперсности пены 1*- 2 мм, 2 - 2.5 им, 3 - 4 мм. Прообразующий раствор - 32_су?ьФонода в воде.

минимум в зависимости 3<Ю становится менее глубоким: если для пев с дисперсностью 2 "мм аномальный рост скорости при уменьшении кратности составляет 30 см/с, то прр дис~ •персностИ 4 мм -всего , 15 см/с, Кроме того1, для более крупноячеистых лен максимум скорости, соответствующий началу третьего участк'а смещается ,в высокократную область. ,

С 'изменением начального давления меняется характер зависимости скорости горения пены от кратности <Рис 5). При низких давлениях <0.15-0 20 мпа> вид зависимости 5(К) и"положение минимума такие же, "&ак и при горении пены -в открытой трубе. Увеличенные по сравнению с экспериментами^ трубе "значения скорости обусловлены влиянием коэффициента расширения'в закрытом сосуде При повышении давления зависимостьК) ослабевает, и при Рх=0 6 МПа

« влияет. н|

^оре^'Чи^ЗВЦЙЯНРШЯ^Й^Й' 'значений. "сАрост* 'на

„/рис 6, криЬ-сказано с-различием в ^ размере отверстий в^металлической фольг©"пеногенератора ) ' ?

« * Эти ^ксперим1н^фда^з^аютг'-на'/йяа.чительную роль 'акустики в ' процессе горения тотТфа'кт,_<что предшрительнай'о'бра-

' -ботка" звуком йенв^не^вЭ 'с*ррост< их^ горения, свияетелъ'ствует об^ * изменения' -под* ,воздейстйие^м4 звука -физических -свойств пены, ответственных за ее горючесть Механизм этого явления не ясен "Кроме того, при исследовании горения всегда важно знать акустические ^ 'свойств^ среды, по которой расйрбстраняетсяГ волна горения, тк от них зависйт смена режимов распространения волны (дефлаграция, детонация, переходные рехимы) В связи с этим, в работе был'и про- , ! ведены исследования акустических свойств пен, ^: I взаимодействие- звука с пеной ■-

% ЭТОЙ/главе описаны результаты"измерений скорости распрост- ^ <

ранения звука в пене, коэффициента поглощения звука пеной-и ослабления звука на гракйцах пейа-воздух ~ ЗксЪеримекты проводились

•> V . -.-с % ___ «у» > •> , ч «

) р водовоздушными,пенами , ^ ч »

' -В1 исслвсованном диапазоне частот Срт 20 до-8р!Ггц) при всех > >/|

-- йфатнаст,ях не было обнаружено-'зависимости ско'родти распрЬс^ранё- . ^, ~ ; пйга звука в пере,, от ""частоты Однако", изменение кратности, пени ^ ^ ^ ¿приводит к сияьн&му^зменеНию.скю^оёти зву^а 'скорость монотонно-

■Г" ' "• "» - ч-!*' V ; - н * ^

растет .с-ростом 'кратности- ^ - ). * ь

^ " Результаты измерения- коэффициента' поглощения звур в'-пене-

при "'разных частотах показали, •'что'он. -слабо зависит^от "частоты

Коэффициент поглощения для, всех частот очен% сильно " ладает 'при „

' увеличении крайности от 80 дЪ' <Ьо, дальнейший рост кратности

"практически не^приводит к изменению поглодейия звука" Поглощение

„ звука в водовоздушной иене существенно превосходит поглощения

•звука в- составляющих ее .компонентах воздухе и воде * "

Ослабление звука 'на^ границах раздела воздух-пена яри входе

И выходе-^ из слоя пена существенно зависит от частоты звука чем ^

выше частота, тем больше, ослабление звука на границах С рослом *

кратност!?" ослабление звука на границах уменьшается

©»процессе^ исследования акустических свойств пены было Заме-

■ЩаЫ" что^' воздействие ма пейу звуком, приводит'к'пйстегНэнному у,ве-

•/личеиий'ййабсеяннопб'ч Пеной /света,, тодле выключения, звуйа оп*ичес-

«

мучительна- Увеличение концентрации сульфонала (£>т ;0.1Í'до 3«) в пенообразукицей растворе или ¿ дисперсности пены приводите увеличению^! и d3 '

Глава-6- • Механизм распространения пламени в паче , Эта г^ава посвящена обсуждению полученных закономерностей:-^ механизма распространения пламени в пене , (

Принципиальном >явАяетс* вопрос о сущес+вованиии стационарных режимов горения Обнаружено, что характер горения водородных/и метановый пен различен1 Пены.с водородовоздушными смесями горят стационарно Для горения метановых пен характерны эффекты неста-ционарности, причем разные для разных кратностейГ высокократные пены горят с замедлением, а низкократные с ускорением. То обстоятельство, что ускорение и замедление пламени возникают только при значительном звуковом сопровождении, позволило высказать предположение об акустической природе нестационарности. Как было показано выше (рис. 6, кривая 2>, наложение звука на процесс горения водородных пен привело к тем же аффектам, которые наблюдаются rfpn горении естественно звучащих метановых пен, что согласуется с предположением об акустической природе нестационарности 1

- Существенная особенность горения,водоосновных пен - нейоно--тонй'а'я зависимость ,сКорости -горерия от кратности, включающая Диапазон значений^К, в.котором рост*кратности приводит к падению" S. Этот факт позволяет прёдпояйхит*, х> совместном протеканий ряда, •возможноиконкурирующих, элементарных процессов в волне горвкия. Хосвённцм подтверждением этой точ(ад зрения является то, что'пена иоже* приводить как к ускоренному,"" так и. "заменяемому горенихг По отношению к заполняющей пеку газовой сйесй, что - Можно видеть из сопоставления „измеренных значений S (рис 2) и нормальных скоростей горения соответствующих газовых смесей.

Среди важных элементарных процессов - процесс разрушения пены, без которого горение невозможно Следствиями разрушения пены являются образования жидкого аэрозоля, его прогрев и испарение. Поскольку ^ пары воды" ней оказывают промотирукйцего влияния на метановые и водородные пламена,1 прогреб аэрозоля и его испарение могут лишь флегмйтизировать горение Поэтому ускоренное горекие, -наблйДаемре в водородныхч пенах,- ловйдимому обусловлено слабой турбуЛйЗЗцией ^ гаГза яри разрыве пузырей пенк и расширении^ продуктов горения в аэ!$озольной среде.'

^--^^раиф-аед^ямь доададфацрюинчэства тчпла% это прийодит ° , ^к-снржению > максимальной те^пе^сщря! в зоне пламени Следователь-" но, чем --Толще пленки пены, те»- ^еильнее снижение температуры и ниже скорость пламени Эта тсдаю эйения^согласуется с зависимостью Э(К) для.- водородных пен, где влияние на горение теплообмена с жидким аэрозолем сравнительно^хало (из-за малого времени пребыва- * л

ния аэрозолей во фронте пламени' вследствие^ больших скоростей горения таких-пен)' „ ч

Т_аким образом, два основа» типа экспериментальных ^ависи- Ч *

мостей 3(К) согласуются с наличие» двух видов теплопотерь из пла-мени на разрушение пены и на кзлри, образовавшиеся в результате разрушения Этз корреляция позмжишма предположить, что закономерности горения пен определяйте® структурой^ тег/лопотерь из фронта пламени Это предположение, бито положено в основу Феноменологической модели горения пёц

Феноменологическая модель горения пен

Горение пены 'моделируется; как стационарное горений газа с _ дополнительным стоком тепла юг жидкие пленки и капли Приняты следующие упрощающие допущения - *

, 1 Все тепло, потребляемое кзтшщт и, пленками, тратился на их испарение Энергия, идущая , ;иа иавгрвв^капель и пленок, несущест- ' Л~ венна в" общей -балансе тепла 1 _ "г ' '

2 При разрушении пены-образушгея достаточно крудаые"капли поэ- >

тому принимается что испарение- шашель во фронте ,пламени не приво-дит к 'заметному изменению цж^рвзйера '

• 3 ^{Добавки йассй газа за счетг.вйийдаеиия капель., и пленок несущественны в- общем балансе массы га®»ц ^ , 4 ■Фронт пламени на каждом участке считается плоским и ламинарным Общее увеличение поверхдайнг» горения, обусловленное выгоранием отдельных Пузырьков газа» учиптавается эмпирическим фактором турбулизации у

8 Дискретно расположенные1 пжеткя иены заменяются воображаемой постоянно действующей пленкой» тешлюсъем на которую равен усредненному по объему теплосъему та реальные пленки

Оценим величину теп-лосъем® га» воображаемую пленку Затраты тепла на разрушение'-единицы объема лены выразим Как ^ *Н*т=Н* П,^* ^

£ /К, где т - масса жидкости, ецЬтщ^щейся в единице объема пен р, Н -теплота испарения "жидкости» щ- плотности пенообразукйдей жид-

где 0р - поток тепла из зоны химической реакции в зону тепловой: ^релаксации .(определяется в процессе решения, задачи) , Аь~ тепло: проводность при Т=ТЬ. ; „ ,

.-.■ •• г ' "•

^Предполагая : аррениусовскую зависимость И от температуры и подобие профилей температуры и концентрации горючего, в результа-, те решения системы (1) получены соотношения для максимальной температуры пламени (Т.Ь) и скорости горения (Б) :

B*Vi ТЬ-ТО>*(Nn* y^-Hiil* Кн V-j

S=? *Un= )С*U°n*EXP[|*^-Tb°>3, : : - (3)

af*cw -___ ... . : .../ .

• F=:

"'•' Н*р0 *Un*C' .. . ■ ' .

; Здесь Tb°, U°n - температура и скорость горения газа-наполнителя пены в адиабатическом случае, Huí, - число Нуссельта и. температуропроводность "Ь продуктах, Nu -- число Нуссельта в зона подогрева, К. ~ температуропроводность в'зоне подогрева (при T=(TbfT0)/ /2), ТО - температура окружающей среды, Е - энергия активации..

С целью проверки адекватности предложенной модели горения пен система уравнений- (2Ь (3) решалась численно, -и результаты расчетов сравнивались с ¡экспериментально измеренными зависимостями скорости горения различных пен от кратности. ПараметрыJ5 и подбирались длякаждого т^па пен таким образом,"чтобы добиться, наилучшего совпадения с экспериментальными зависимостями. * -Г Рассмотрим основные закономерности горения пен, следующие из ' предложенной модели. Два члена в фигурной скобке в (2) с'оответст-вуют дркм различным составляющим теплопотерь. Первый член обусловлен взаимодействием пламени с пленками пены, а второй - с аэрозолем. При больших нормальных- скоростях горения газа,,заполняю-: щего пену, второй член становится пренебрежимо мал. В•этом случае система (2), (-3) позволяет явное решение для скорости' горения пены (S): ' '-V^U, .;,"■.••,■'.. ; - V.w,0 ,.р7гг_Е ' ¿ ( 1+ ('т°ь-тт*с«/н >*В* Я* Р-м-ЖН т

R*(Tb°>2 (к*р0*с+е*сп*fi>

Из этого решения следует, что скорость горения пены должна монотонно падать с уменьшением кратности, что и наблюдается для пен быстро горящими водородными смесями (кривые 7 и 6, рис. 2>.

\ '". "■'"'.''. : 15 ; -И",'. '

- воныом уровне хорошо объясняет все наблвдаейые закономерности горенияпен. .■■..•. . -г.'и".... ■ •'..."

Основное содержание диссертации изложено вследуюцих работа*:' ; ,, .

.1'; Замациков В.В.,Бабкин ß't6iТихомолов Е.М.Голубувкин Л;Н..;.

ti&'í'i •• kamii. fe., -И Экспериментальные

, исследования горения водогорючих пен//Фйзика горения й взрыва / . 1988. т. »-4. V- г--, "; ' >,'" ' ..v ,'í

2. замациков В.В., Какуткина H.A., Плеслов в.С.и др. Закономер-

' ности горения водогорючих пен при повышенных давлениях// Про' блемы горения и взрыва: Материалы~9 Всесоюзн. Симп. по- горению и взрыву. Черноголовка, 1989. С. 62.

3. Замациков В.В., какуткина H.A., Плеслов Д.А., Бабкин B.C. Ско-; рость распространения звука в пенах.различной.кратности. М.,

1989. 14 с. - Деп. в ВИНИТИ. 24.03.89, N 1933- В89.

4. Замациков В.В., Какуткина H.A. Экёпёрййёйта1ьй(1ё Исследования ■ акустических свойств пены//Акустический Журнал, 1991. т. 37,

.з. .[.':

5.3амациков В.В., Какуткина H.A. Структурные изменений в пене.

под Коллоидный журнал;Í992 ■ • т... 54, N

. С. 64. luí. ..'.Л ;; ' ''.-:/ •,. ' v Г

8..Замациков В.В.* Какуткина R.А. Экспериментальные исследования

закономерностей горения водоосно^ныхпен,заполненных горючими . газами//Фиэика- горения и взрыва. . 1993. т. 29, Н 2. С. 15.