Высокотемпературный тепломассообмен, критические явления при фазовых и химических превращениях в дисперсных системах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ОДЕССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. И. И. МЕЧНИКОВА

На правах рукописи КАЛИНЧАК Валерий Владимирович

Р Г Б 03

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ ТЕПЛОМАССООБМЕН, КРИТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ ПРИ ФАЗОВЫХ И ХИМИЧЕСКИХ ПРЕВРАЩЕНИЯХ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ

Специальность 01.04.14— теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ОДЕССА - 1995

Диссертация является рукописью Работа выполнена ь Одесском государстшшм ушьерситето им. И.И.Мечиикоаа

Официальные огишенты: дохтор физжо-магсьгапгчгсааж кзук,

профессор Золотка Андрей Нжоноаич,

доктор техничеекшс кзук, профессор Воккоа' Александр Петрович,

доктор ф^кжо-математических кзук, профессор Шут Николай Иванович.

Вздущы ергажащкя - Институт Проблем Знзргосберв&ения

HAH Украины, г.Кпгз.

Vi/

Ззцкта состоится "26 к ЛмёеАЯ 1S€3 г. в * чгсов

r.ä аьзедьжи спвциажаирзэшаого Со&ета Д.03.01.03 Одйсемйго государственного укказрштетй И.Й.Мочкикова (270100, г.Одзсса,

ул. Не-ггера; 27, Больная ir^-ropsa).

С дксссргедкея кожа ожкжекагьел в глучкой бкгмштеае, Одесского гссуд^.гг^мисго уь::;с^нтс-г; '...М.М.н.^'ЗИ-Г.ОЗЙ.

Авторефф«! р-лоелга " „____„" _______________ i22» V. •

Учзпы.» .poirpi. С.;:'..л;,

зд«:: б-'''''/'' C.iOiMTAlUai

Общая харяятЕрнстнка работы

. • * »• Аэтуальзгостъ tcj.su Формирование и устойчивость высокотемпературных состояний компонент дисперсной системы (частиц, капель и газовой фазы) в конечном итоге определяется эффектами взаимовлияния различных механизмов тепломассообмена и кинетики химических реахциЯ, которые. пре;адо всего связана с размерами и относитель-' зшш схорсст.тми движения частиц.

Исследование этих явления является источником важнейшей информации о роли физических и хнмичзскшг факторов, без знания которой иеЕогмакно целеиеярааленно ©суцестмшть управление высоко-и -низкотемпературными режимами тепломассообмена и химически реагирующих дисперсных системах.

В „сеязя с этим актуально! задачей, впервые решаемой а наших работах, является построение аналитических ги:одолей, позволяющих а явном виде определить условия и времена перехода с низкотемпературного а высокотемпературное ■ состояние и наоборот в зависимости от ргзмгрэ и скорости движения частицы (капли) в следующих процессах: зккиганиэ газсаой смеси движущейся накаленной частицей; всоивмзкеийе частицы при протекании' на ее поверхности фазовых -превращений (плавление, испарение); срыв и восстановление пламени на лобовой точке капли; воспламенениэ, горение и потухание частицы при протекании на ее поверхности параллельных реакций. Нахождение времени зажигания газовой смеси движущейся накаленной частицей (фрикционной искрой) имеет прикладное значение для выработки надежных критериев обеспечения пожаровзрывобезо-пасности. при перевозке и хранении легковоспламеняющихся жидкостей МВЖ). . '

Актуальными являются теоретические и экспериментальные нее-. ледования механизма возникновения и существования высокотемпературных состояний, определяющих процессы устойчивого горения капли в потоке газа. Решение агой задачи раскрывает носке возможности в управлении процессами испарения и горения диспергированных жидких топлив путем изменения их состава и реммных условий.

Важным вопросом, впервые рассматриваемым в диссертационной работе, является определение условий и шехенизма гистерс-зкслсго поведения температуры частиц (капель) и связанных с нею тепловых

и массовых потоков, скоростей фазовых и химических превращений 'при изменении режимных параметров. Также недостаточно изучен в-настоящее время механизм самопроизвольного перехода с высокотемпературного режима тепломассообмена на низкотемпературный режим, связанный с изменением диаметра и скорости движения частицы (капли) в процесс* ее горения при неизменных режимных условиях.

Малоизученными являются рассматриваемые в работе вопросы о влиянии излучения, схемы химических реакций, фазовых превращений, температурной, зависимости свойств газа на характеристики высокотемпературных состояний, критические параметры воспламенения и потухания ' частицы. В работе также решается ранее неизученные задачи, связанные с учетом стефановского потока, внутренней диффузии, нагрева частицы лазерным излучением при определении ' критических и устойчивых режимов тепломассообмена частицы с газообразным окислителем.

Цель работы. Развитие нового научного направления в теплофизике химически реагирующих дисперсных систем, заключающегося в выявлении механизма возникновения и существования высокотемпературных состояний, критических условий и гистерезиса тепломассообмена частиц и капель при фазовых и химических превращениях. При этом ставились задачи:

- разработка новых методологических подходов исследования. роли и взаимовлияния различных механизмов тепломассопереноса, кинетики фазовых и химических превращений в гистерезисных явлениях, процессах осуществления устойчивых высоко- и низкотемпературных состояний компонент химически реагирующей дисперсной системы (частицы (капли) - газообразная среда);

- выявление "механизма осуществления высокотемпературного режима протекания гомогенной химической реакции в среде при попадании в нее накаленной частицы; анализ нестационарного зажигания газовой смеси движущейся накаленной частицей; аналитическое описание зависимости времени задержки зажигания от размера и скорости движения частицы;

- аналитическое описание устойчивых и критических режимов тепломассообмена, определяющих горение и потухание капель ин- • диеидуальных жидкостей и их бинарных смесей- в потоке воздуха на основе теоретических и экспериментальных исследований; определение критических условий эстафетного воспламенения

аэровзвеси капель; . ■ исследование механизма взаимовлияния, кинетики гетерогенной хи-. мической 'реакции, тепломассообмена, теплообмена излучением в процессе воспламенения ■ движущейся частицы при протекании на ее поверхности фазовых переходов (плавление, испарение); получение аналитических выражений для времени задержки (период ин-, дукции) и критического условия воспламенения движущейся частицы с учетом ее плавления, испарения и теплообмена излучением со стенками реакционной установки;

раскрытие механизма гистерезиса тепломассообмена и кинетики параллельных' гетерогенных химических реакций на поверхности частицы и определение условий его существования; изучение механизма самопроизвольного потухания частицы; нахождение характерных времен, определяющих переход на высокотемпературный режим тепломассообмена частицы, времени и температуры горения; .аналитическое описание характеристик гетерогенного горения частицы в зависимости от режимных условий при протекании на ее поверхности параллельных химических реакций и учете теплообмена излучением со стенками реакционной установки;

выяснение • роли излучения, ' кинетики гетерогенных химических реакций (одна, две реакции), внутренней диффузии, стефановско-го течения на характеристики воспламенения, горения, самопроизвольного'и'-вынужденного потухания частицы; определение условий вырождения критических режимов' гетерогенного воспламенения и потухания частицы; .

установление .закономерностей горения и потухания монодисперсной и двухфракционной газовзвеси частиц . при протекании на их поверхностях параллельных реакций и учете теплообмена излучением со стенками реакционной установки.

эучная новизна результатов, полученных в работе, состоит в том, •о, в ней впервые:

изучено влияние различных механизмов тепломассообмена, кинетики фазовых и химических превращений компонент дисперсной системы .(частицы, капли - газ) на процессы формирования высокотемпературных состояний и их устойчивость; * получены аналитические • выражения ■ для. зависимости времени зажигания , газовых смесей от диаметра и скорости движения накале~

иной частицы; .

- штолен механизм и установлена условия плстерезкского поведения температуры, скоростей фазовых и химических превращений капель, (чйстиц) в зависимости от их диаметра и скорости. движения; определены критические. условия эстзфетного воспламенения цепочки капел;.; .

- предлодсерг методика исследования и определения характеристик усЪойчивь'.!' и критических высокотемпературных режимов тепломассообмена движущейся частицы при протекании на ее поверхности фаз.- ¡к и химических прзвращений;

- успакоьденз роль плавленая и испарения, массопереноса, .теплообмена излучением в процессе гетерогенного воспламенения частицы; получены аналитические выражения для критических условий и периода индукции,-.

- изучен механизм и проведено аналитическое описание влияния теплообмена излучением, мгесопереноса,. стефьновского течения, внутреннего реагирования ка ' процессы воспламенения, горения, самопроизвольного и вынужденного потухания частицы при протеканий на ее поверхности параллельных химических реакций; уста-новлен& закономерности влияния излучения и схемы гетерогенных реакций на гистерезисное поведение температуры частицы • в зависимости от ее диаметра и скорости движения, температуры газа и концентрации окислителя в нем. , ■

Практическая значимость работы. Развитые в диссертация элементы теории и методики исследования являются важным вкладом-в'теплофизику химически реагирующих дисперсных систем и практическую теорию- горения. Полученные ь диссертации результаты позволяют выявить новые возможные пути управления высоко- и низкотемпературными режимами теплог-сссопереносз. фазовыми' и химическими превращениями в дисперсных системах с помощью рационального выбора интервала размеров частиц • (штгдь!, их начальных температур и внешних условий.

Аналитические выражения для времени задержки зажигания движущейся частицей химически реагирующей газовой смеси могут быть использованы для определения попарной опасности фрикционных искр при перевозке легковоспламеняющихся жидкостей.

Открытый нами гистерезиса скоростей фазовых и хи-

мических превращений частиц и капель в зависимости от их размера

и скорости движения, разработанный ме~ед исследования и оценки характеристик горения, теоретические модели представляют практически Ценность для рационального использования, диспергированных жидких и твердых топлиа в энергетических установках. Достоверность и обоснованность полученных ь диссертации результатов обеспечивается использованием современных методов исследования высоко- и низкотемпературных состояний дисперсных систем и обоснованностью соответствующих приближений и допущений. Результаты сопоставления расчетов по выверенным в работе формулам с имеющимися в литература и собственными экспериментальными данными свидетельствуют о правильности модельных подходов, предло-' асеиных в работе. Личный вклад автора диссертации. В диссертации представлены результаты самостоятельных многолетних исследований автора. Непосредственно автору принадлежит постановка и обоснование задач исследований, решение вопросов экспериментальных и теоретических исследований, анализ и интерпретация полученных результатов.

Соавторами статей выполнялся комплекс заданий, связанных с расчетами на ЭВМ, наладкой и усовершенствованием экспериментальных установок' для исследований процессов горения капель и частиц. На защиту выносятся следующие основные положения. 1. Теория нестационарного теплообмена движущейся накаленной частицы с реагирующим газом. г. Механизм гистерезиса кинетики фазовых и химических превращений, тепломассообмена движущейся частицы (капли).

3. Модель воспламенения движущейся частицы, на поверхности которой происходят фазовые превращения (плавление, испарение). .

4. Механизм самопроизвольного потухания частицы (капли).

. 5. Комплексный метод определения характеристик устойчивых и критических режимов теплом ассоообме на частицы и кинетики гетеро- ' генных- химических реакций. 6. Устойчивые и критические режимы протекания гетерогенных химических реакций' с учетом теплообмена излучением, стефановского течения и внутреннего реагирования частицы. ' 7. Аналитические модели, позволяющие определить критические условия, времена воспламенения и горения частицы- с учетом протекания на ее поверхности двух параллельных химических реакций л теплообмена излучением со стенками реакционной установки.

- в -

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на XIII Всесоюзной конференции по "вопросам испарения, горения и ', газовой динамики ■ (Одесса, 1979); Ш Всесоюзной конференции ; по ., актуальным вопросам вэродисперсных систем (Одесса, isas); Ш Все-сошной конференции по пожаробезопасное™ производственных; .про-uc'ccos ь металлургии (Москва, isa?); XV Всесоюзной конференции по физике азродисгерсяых систем (Одесса, 1Э8Э); I; Международном форуме по тепломассообмену (Минск,- ísea); Международной школе-семинэре по теплофизике и реофизике неравновесных Систем (Минск, 1931); и Международном форуме по тепломассообмену . (Минск,

1992); ХГО Международной конференции по физике горения и взрыва (Черноголовка, 1992); XVI конференции стран СНГ" по вопросам ис-

. парения, горения и газовой динамики дисперсных. систем (Одесса 1993 ); на семинар®, проводимом Институтом проблем энергосбережения (Киев, 1993) "Проблемы' преобразования, анергии и рационального использования ' органического топлива в энергетике"; 13 ■ Международном Симпозиум« по процессам горения (Польша, Краков,

1993); 13 Международном Конгрессе по применению лазеров "и электронной оптики (США, Орландо, 1994); научно - практической конференции "Проблемы покерной безопасности" (Киев, 1995); 21 Международном пиротехническом семинаре (Москва, 1995); Европейской шроаольной конференции "(Финляндии, Хельсинки, 1Q25)., Публикации. По материалам диссертации опубликовано 47 работ , в международных и региональных изданиях, оендодо. из которых при- -ведены в конце автореферата.

Структура работы. Работа состоит из введада, пяти глав и заключения общим объемом текстового материала ЭШ стр., список литературы содержит 198 наименований. '••,..„'"'.•:

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РЛКОТЫ

В первой главе анализируется теплофизика- нестационарного тепломассообмена (ТШ) накаленной частицы с газовой средой, в -которой протекают гомогенные химические реакции. Практическая, направленность этой . задачи - определение времени • зажигания и критических условий "ШО накаленной частицы (фрикционная искра), попавшей в г&зоау» сядееь горючего и окислителя.

Зздща peusaerca ь-рамках модели приведенной пленки, на по-.

йерхности которой задастся параметры "невозмущенной" гАзовой элеси, и использования метода термического слоя. Радиус приведе-. иной пленки увеличивается с уменьшением скорости движения части-№1 и равен бесконечности при нулевой относительной' скорости. Термический слой формируется около поверхности накаленной частицы вблизи области химической реакции и с течением времени заполюет всп приведенную пленку. Затем происходит нагрев приведенной гленки по всей ее толщине в регулярном режиме.

Около ' поверхности накаленной частицы прогрев газовой смеси хгуществляется мгновенно и тепловой поток из этой зоны определяйся из решения уравнения стационарной теплопроводности с источ-«теамй за счет гомогенной химической реакции между компонентами •азооой смеси. Для небольших скоростей движения частицы с числами Рейнольдса 0<Ее<1.б2[(гв/гн)-1]2 зависимость времени зэхотгз-гия от радиуса накаленной частицы имеет вид:

1 Г/"2Г 1 1-2 1 Г 1 11-2 1 » — i----— или • - i---, (1)

* I 10«1 О Гв]

де .безразмерное время зажигания,- гв- радиус частицы;

~ критический радиус частицы; Ьа=с2ВТ^ехр(Еу'КТ3)/ - масштаб времени; 43=гв/ка - безразмерный радиус [скры; х^Ус^Г - масштаб координаты; а2 - коэффициент темпера-•уропроводности газа; Т3 - температура искры; пг - концентрация орочего компонента; Оьо=Е(Тга-Тг,)/(ЕТ^) безразмерная температу-1а; Т„ - температура газа начальная и на бесконечном удалении от истицы; сг - удёльная теплоемкость; Е - анергия активации; к, -|редэкпоненциальнь!й множитель. • .

С увеличением радиуса искры время зажигания монотонно меныиается, асимптотически стремясь к значению кото-

рое было получено Я.Б.Зельдовичем для времени зажигания газовой меси накаленной стенкой.

При уменьшении радиуса частицы увеличиваются теплопотери от оны химической реакции и растет время зажигания.

• Из приближенного решения задачи зажигания для

о

:е>1.52[(г£./г„)-1] получена следующая зависимость времени зажи-ания от условий и физико-химических свойств газа

г Г— Ни-2

/ е -

I --;- щ

За, (Ми-2)

2га/гж -Ки

где Ки- критерий Нуссельта. Критический радиус движущейся искры получается из условия 1э=« в виде,г= кр ~гк Пи/2.

По предложенной модели "анализировалась возможность зажигания стальными частицами следующих паровоздушных смесей • легковоспламеняющихся жидкостей.- сероуглерода, бензола, дизтилового ' эфира и этанола. Результаты расчетов показымшг неоЗоснова-нность постановки в один ряд таких ЛВЖ, как сероуглерод и дизти-ловый эфир, так как фрикционные искры могут подкечь паровоздушную смесь сероуглерода и не поджигают смесь диэгилового эфира с воздухом.

Во второй главе рассматриваются результаты экспериментальных и теоретических исследований по кинетике горения и срыву пламени с капель индивидуальных жидкостей и их бинарных смесей ь потоке воздуха. - При обдуве горящей капли потоком газообразного окислителя теплофизическке характеристики горения, форма к размеры пламени тесно связаны со скорость» потока. Ирг, изменении скорости потока обнаружено гистерезисное поведение пламени относительно лобовой точки капли. Это связано с существованием двух критических скоростей потока: первая критическая скорость потока определяется максимальным значением скорости потока, при котором пламя еще находится из лобовой точке капли; вторая - характеризует восстановление пламени на лобовой точке при движении его из следе капли.

Эксперименты, проведенные ь области 10«?е*3(Ю, показали следующее. Стационарным значениям скоростей потока в интервале от нуля до величины,''равлоЛ скорости срыва и<р, соответствуют стационарные положзш; пладеки и величина. констант скоростей горения. С увеличением скорости потока и>У ■ племя 'смзщеотся в след кепли, ■ глестаяа скорости горежя уменьшается. Если • посяэ втого укгиькиь скорость потока, то. пламя • ьоссгйшьгайзетса на хЛ'?агЛ\ -V: «л при кеньссм со ежчекцк, т.е. и-иа<и419. Это приводен т; гл-лерлксшду ыкшь;» егароота гютоли на' шегтангу скорости ГСрюШЛ (рис.!), КШС,рГ;;> СВЯЗйНД с томпэрсту рой кеплм и координатой пакты.

При резком .чзмзиешгл скорости потока от пулевого, значения и-о до и^Ч! плзмд затихает ь лобсьой точки ч«рс»з иреиш которое уменьшатся с ростом скорости потока я увеличивается с ростом кеши. Коорджпз гоптк. ь, гзмергге&ия относи-

тельно /»Совой точки крпли, со гр'О.'О''¡ем шмжя немонотонно:

2.5 ■ 2.0 -1.5 ^ 1.0 -0.5

йгор ' мз^/с а

. 1

г

«« хтг3-3 "5

15, «Ч

360

0.0 ■ 0.2 0.4 0.«

и, и/С

i i i | i |"1 i г i 1 <¡.0 0.2 0.4 0.6

17, м/с

Рис.1. Зависимость кошяанты скорости горения (а) и температуры (0) капли от скорости потока воздуха. 1 - ацетон, 2 - этанол; о-о, м-м экспериментальные результаты, - расчетные.

достигает максимальной величины, затем уменьшается и в дальнейшем остается неизменной. Процесс восстановления, пламени на лобовой точке капли происходит приблизительно в три раза дольше, чем затухание.

В работе показано, что -при теоретическом анализе критических условий существования пламени на всей поверхности капли необходимо учитывать действие естественной конвекции. Затухание пламени в лобовой точке капли при скорости потока и=ия. которая обусловлена совместным действием вынужденной л естественной конвекции, связано с выполнением равенства теплового потока, расходуемого на испарение капли п прогрев .ее паров, тепловыделению в результате химической реакции В стехиометрической смеси.

Кспользуя условие сшивки тепловых потоков на границе зоны активного химического, тепловыделения и холодной зоны вблизи капли, получим критическое условие срыва племени в лобовой точке капли в виде отношения скорости срыва пламени к диеметру капля

« V, — И+— ]]2;

'■ьД V вй ))

и„

(35

где ин - нормальная. скорость распространения пламени ь стехи метрической смеси,- VI -коэффициент кинематической вязкости газ I. - удельная теплота парообразования; ТЛор, та - соответственн температуры пламени и капли; ь„»1.06.

Время задержки затухания пламени на лобовой точке капли I для ию>и„определяется выражением

Но=----

I1 / Ие! )

* гор,& гор.в со

которое использовали при обработке экспериментальных данных. I увеличением им величина ^ уменьшается, а с ростом диаметра ка! ли - увеличивается. При ию—»и„ время задержки затухания асим! тотически стремится к. бесконечности. Для жидкости, у кочор скорость срыва пламени с капли больше, время задержки затухай! выше.

Таким образом, показано, что пламя, окружающее каплю угл> водорода, обладает инерцией. Выявлена связь скорости срыва времени затухания пламени с диаметром капли, ее теплофизически» характеристиками.

В заключительной части этой главы анализируются результат экспериментальных исследований эстафетного механизма рэспростр; нения пламени по цепочке капель одного размера, создаваемой л нератором монодисперсного аэрозоля. С ростом расстояния меж; каплями 1 скорость еетафетного распространения пламени I уменьшается. Эстафетный механизм для этилового, спирта и ацета наблюдается даже при больших расстояниях между каплями. Для а ределения критического расстояния, на котором ид= 0, экспериме1 ты проьодйлись с растворами спирт - вода и ацетон - керосин,. д. которых упругость насыщенных паров меньше, чем: для этилова спирта и ацетона. Эксперименты показали, что для смеси 00% зтс . лового спирта и ?Ш воды иэ=0-при 1/&<*6,Ь, а для смеси 103& ац( тона и ЗОЖ керосина иэ>=0 при 1/«1«7. Сравнение иэ для капель и< следуемых жидкостей показало, что при фиксированном расстоят (Ш=сопзО скорость пламени для капель ацетона иэ<=0,56 м/с бо. те, чем для этилового спирта иэ=0,4г м/с. Характерная особенно« эстафетного механизма - его дискретность: пламя спустя некот< рай промежуток времени, равный периоду индукции воспламенен! 1нкд* перескакивает с горящей капли на негорящую. Величина ш риода индукции определяется концентрацией паров над поверхность

негорящей "капли и температурой в зоне горения. Так как температуры пламени исследованных жидкостей . незначительно отличаются между собой, то при 1Л1«оопз1 можно "считать, что <.„„,, пропорци-

" "а

онален концентрации насыщенных паров и, следовательно, иэ~пп С увеличением расстояния между каплями период индукции приближается ко времени полного сгорания одиночной капли. При критическом расстоянии, когда иэ»0, эти величины равны. * . В третьей главо рассматривается малоизученный вопрос

0 влиянии движения частицы с учетом ее плавления и испарения на характер временной' зависимости температуры частицы и условия перехода на высокотемпературный режим тепломассообмена и кинетики химической реакции. В качестве объекта исследования взят магний, относящийся к классу веществ, для которых температуры плавления и кипения лежат ниже темперэтуры горения.

Проведенные исследования временных зависимостей температуры и скорости частицы, плотностей тепловых потоков (молекулярно-конвективиого и излучением), тепловых затрат на плавление и испарение, мощности тепловыделения и константы скорости гетерогенной химической реакции, коэффициентов тепломассообмена частицы с газом позволили выявить роль тепловых и массовых потоков, теплообмена излучением, фазовых-и химических превращений л процессе гетерогенного воспламенения-, ускоренно движущейся частицы для различных ее диаметров, начальных скоростей и температур газа. .

Показано, что для частиц магния й<200мкм влияние диффузионной области протекания химической реакции на критические параметры и период индукции воспламенения незначительно. Учет испарения особенно необходим .для мелких. частиц ¿<40 мкм. Например, для (1=10 мкм период индукции в 5,5 раз больше, чем без учета испарения. Для частиц й>2 мм плотности тепловых потоков молекуляр-но-конвективного и излучением соизмеримы.

Влияние относительной скорости движения и на. период индукции

1 . различно для мелких и крупных частиц. Б области мелких частиц, диаметр которых близок к критическому значению сЗь, период индукции для ускоренно движущейся частицы ОД'.)} больше, чем для неподвижной (и=0), и меньше 1(111, частицы, движущейся с постоянной скоростью Ш=сопз1) (рис.2). .

'Минимум на кривых I, (<1) объясняется то представлений о стадийности процесса воспламенения частицы. Перьвя стадия оп;.-;-. деляется тепловым прогревом частицы,. в течение которого хими-

- и -

,300-

250

ZOO

150

100

SO'

Рис.2. Зависимость периода индукции от диаметра частицы при

T2-il?SK;

1 - U=0, 2 - Uítí,

3 - U"COnst«ñM/c.

О-pri i t | г i i i ' i' i "f i ч | i ri i"

о so too ¿so zoo

ческим энерговыделением можно пренебречь. Следующая - вторая стадия - характеризуется конкуренцией тепловыделения за счет гетерогенной реакции и теплоотьода от частицы молекулярно- конвективным механизмом и излучением. 5 области малых размеров ds<d<tiHHH (с1иив- диаметр, при котором период индукции тлеет минимальное значение) длительность первой стадии мала по среаненио со второй. Увеличение диаметра частицы приводит к уменьшение теплопотерь молекулярно-конаективным механизмом и, следовательно, к, уыеныаенпа времени шхода на шсоЕОтешератдаай Б области больших ргакербь, d>d1¡l¡|¡,t уйелмчеша дкакатрэ чаэткцы приводит к росту длнтоеьности шраой стада» каторга пааялся определяющей для периода индукции. Аяааэгачкш гакашизш* oSvs»-няется наличке шями^ш на кривой звзксдавостн периода индукцт от скорости Чазткци.

На основ i проведенного акелкхэ в диссертации, кспоаьзул приСли»:енг.я Фрзак-Камен<гцкого, для перкодз индукции и критических условий гетерогенного ьосплакгййз» -частицы с- учетом протекания из со поверхности фазовых прзарйщеиий получены выражзния для зависимости периода индукций от диаметра частицы и скорости ее движения, температуры газа и коацзктрации окислителя

t.

6Ц(Ми+В)

olPld

где

^УТст* °1РгПск11 «о- [ Е 1 ' ПЛ=- »А, ■ ГйТпл|'

4ЕОТI й с^й 3 с^аШ^/Е)

В=

1 с.р.й з с.р.аит'/Е) Г Е •) -а — а =а+4ЕОТр, т,= —-ехр - .

* , сА«Ивун) мв Г шп Г 1 1 ]]

Здесь - удельная теплоемкость частицы; рг р2 - плотности частицы и газа; я - тепловой эффект реакции, приходящийся на единицу массы кислорода; а, р - коэффициенты тепло- и мэссооб-мена частицы;. 1.пл - удельная теплота плавления; ТЯНП, тпл -температуры кипения и плавления магния; Т2, Т£т - температуры газа 'и стенок реакционной установки; б - коэффициент черноты частицы; мп, Мь - молярные массы магния и воздуха; п , п1( относительные массовые концентрации ойислителя и паров магния.

Как следует из (5), в области мзЛых диаметров и больших скоростей движения частицы (ТЧ=Т2) уменьшение с1 или увеличение и вызывает уменьшение 1 и, следовательно, рост периода индукции. При приближении й и и к критическим значениям (выполняется условие (6)) период индукции резко увеличивается (рис.2).

В четвертой главе развитый нами, метод исследования роли и взаимовлияния процессов тепломассообмена и кинетики химических превращений применяется для анализа устойчивых и критических высокотемпературных.-состояний, характеризующих" горение, самопроизвольное и вынужденное потухание частицы с протеканием на ее поверхности параллельных химических реакций. Детаи но исследуется 'явление гистерезиса тепломассообмена м кинетики химических реэп-ций на поверхности частицы, критические условия его существования в зависимости- от начальных значений температуры и дизметра частици, температуры газа и концентрмцми окислителя в нем.

Раскрывается механизм влияния излучения, кинетического и ■диффузионного факторов на критические условия и временные характеристики горения частицы.

Характеристики гетерогенного воспламенения, горения и потухания частицы находятся из анализа и решения уравнений теплового, массового балансов и. кинетики параллельных химических реакций (С+^-СО^Я, 2С+0г-2С0 (II), С+С0г-2С0 СП»:

1 dTi "g"ciPid —= Чх-Ят- Ят- Чи.к+Яа, T/t-OMr, ;

(7)

dt

n0K.S=n0K

'llj р

•vfi^i]

Яакз K1

faAKvf»

с &

К- = 2iK0iexp(-£./RT1), K^K^expC-E/RTj); p=DMu/d;

dtd) dt

2p_2 Pi

7Qk In , „

Kg, d[t«OMH, Sj- 1+

Q3K3

(S)

tv а к. 1Г»

где Tj - температура частицы, q2 - мощность химического зиерго-выделения, приходящаяся нэ единицу поверхности частицы; qu й, qu - соответственно плотности молекулярно-кон&ективного и лучистого тепловых потоков; D коэффициент диффузии; i=i - реакция (I), i=2 - 'реакция (II); к4, х3- константы скоростей реакций (I), (II) и (Ш); Ц, С^, Од - относительные массовые стехиомет-рические коэффициенты. • • . .

Начало выхода. с низкотемпературного на высокотемпературный режим характеризуется минимумом на кривой . dTt/dt(t) (т.В, рис.Зв). Нэ низкотемпературной стадии процесс гетерогенных химических реакций протекает в кинетической области (к4<р, к2<р, к2<к„ qI«|qT|) (рис.Зг). Период индукции 1инд находится как время выхода на квазистационарный высокотемпературный режим, за которое положительное значение временной производной температуры частицы принимает максимальное значение, т.е. d2T,/dt «О и

3 3м

a Tj/dt. <0 (т.В ). При этом суммарная константа скорости реакции становится сравнимой с коэффициентом массообмена. Температура

Рйс.З. Звьисммоста ^(Ь). ¿(0. ' сгг^аш,). к(«, к,а). к^и, для у2=Тет»1200Х, мш* —• реакции (I) и (II),

— - реакция Ш, <»о-ш:паримент В.ИЕзбия [1].

горения ь хвозистационарного тепломассообмена вначале

рвстет, проходит чер2з максимум (т.М), затем падает. При горении чгхггицы скорость реакций взлика, к4>р, кг>р» к,2>к(, (рис.Зг). При уменьшении диаметра и температуры горения частицы и достижении критических значений <1П, т1п в момент времени (т.П), в который отрицательное значаниз сЛ^ЛШи достигает минимального значения (йгт/йг2=0 и сГ^/аАо (рис.Зв)), происходит скачкообразный переход на квэзистзционарный низкотемпературный режим - потухание частицы^

. Время горения ъгор находится как длительность стадии квазистационарного высокотемпературного режима тепломассообмена '1гор=1п"1инд^ случая протекания только реакции (I) при тех

ж условиях выход на высокотемпературный режим не осуществляется

Йг шсм

300-

йи=505 мкм,

Рис.4. Зависимости т^Ц, йВД для частицы

т2=хст=1400к- 1 ~ Чи~0> реакции (I) и (II); 2 - ^¡¿0, реакции' (I), (II) и (Ш); 3 - янтЮ, реакции (I) и (И); реакция (I); о<^> - эксперимент В.И.Бабия [1].

(рис..З). При Солее высоких температурах газа происходит воспламенение частицы в предположении протекания на ее поверхности только реакции (I) (рис.4). Без учета реакции (И) увеличивается время горения и критический диаметр частицы, определяющий ее самопроизвольное потухание. Для случая двух реакций ап приблизительно в два раза меньше, чем для одной. Пренебрежение теплообменом излучением частицы со стенками реакционной установки приводит к сильно завышенным значениям температуры горения по сравнению с экспериментальными данными (рис.4). Учет реакции ¿II) не оказывает влияния на характеристики гетерогенного горения частицы.

В аналитическом виде температура' горения, критические диаметры, определяющие самопроизвольное (вынужденное) потухание и воспламенение частицы, находятся из- исследования стационарных режимов тепломассообмена и их устойчивости. Из условия стационарности (чх=чт) зависимость диаметра, коэффициентов тепло- и мзссообмена от температуры .частицы, описывающая стационарные устойчивые и критические ее состояния, имеет вид

с! =

Л2Ни

ОНи

[А./А'-Б ]Цкд]ргпПй

(9)

А=0,5(1-А,-А,), В^-А,, .

. ео(Т;-Т£ А^-5-;-г:. Аа»—5- .

Знак минус перед корнем а (9) определяет эффекты, связанные с теплообменом излучением* частицы с холодными стенками реакционной установки. * .

В этой главе показано, что экстремумы : на зависимости «КТ4) Со£Т1), рсг^) определяют критические значения диаметров (коэффициентов тепло- и массообмеиа) и температур, при которых происходит воспламенение (т.В1, в2) и потухание (т.Л , Пг) частицы (рис.5). При больших теплопотерях излучением (Тст<г2) переход на высокотемпературный квазистационарный режим осуществляется независимо от значения начальной температуры частицы в интервале ее начальных диаметров, ограниченном критическими значениями йь1 и е!^. Высокотемпературный режим ШО (горение) описывается аетъыэ, соодяьтсщзй точки и Пж.

Кривые, ссод:*ктцкэ точки в1 и П4 (рис.Ба.б.в), в, и П5 (рис.Бв), П1 а п2 (ркс.Бг) яллпстряруют связь критических значений начальных диаметров к температур частиц Сс1^л(Тн ), От. кр3), определяющих ее , воспламенение. Зависимости йа1(Тн яр) и ^вСГ„ кр) описываются формулой (3) при замене т4

В .интервалах ая1<а<а&1; а»г.<м<!с1п2, йп1<(1<с[а2 зависимость стеционйриой температуры частицы от-ее диалэтрэ имеет гис-терехкккй кгрЕхтер.. Внутри гастерезисяой петли переход на ветвь горения происходит, если начальная температура частицы выше кри-тмчэекспо зйзчеакя. Критические значения . начальных температур кжодятся в интервалах т1м<тн_кр<т1п1,. т1в2стн_кр«гг,п.>( "^»а^а «?<т1п1. В области больших размеров йь2<<*<<1п2 с ростом происходит увегичаш начальной тешературы частицы. Это сгякг» с з^гсркзеЕаам- пгэтсости молехулпрно-койаективного тйшгс:>зга гзгог.2, ¡гтр-гзпЕцего чзсс-тцу при тя ^ <т.„ и уменьшением тепзоЕьудага'ия э результате падения плотности кассозого потока окислителе пр:: тч кр>~г- При малых теплопотерях излучением увеличение диамзтра з интервале (1п1<а<й^ приводит х умггшгптт критической начальной температуры частицы. Хэ-

so -

т—i—)—i—г-]—г looQ toco Z200 гвоо

т—t i i :i" |—i—г—i—г ÍOOO 1600 2200 гвоо

d,UK м

ÍOOO ~ *

100 -

1 ~ г Юйй 1COÜ 2200 гвоо т„к

1 \ ( 1 I" I 1 1 I г 1000 1600 2200 Z&00

Tf,K

Рис.5.. Зависимость й{71).' Влияние учета теплообмена излучением и числа химических реакций на устойчивые и критические состояния углеродной частицы при тг=1400К. 1 -реакция U), 2 - реакции (I) и til); ооо - эксперимент В.И.Бабия [1]. устойчивые

высокотемпературные состояния, (горение); — устойчивые низкотемпературные состояния (окисление); - - - неустойчивые состоя-

ния

- расчет по нестационарной модели (7И6) для dH*=300 мкм и tlH-600 мкм, ТМ=309К.

(зависимости dtlí:r к ),. dt2(T„ »;

0 - т. Sj,

воспламенение; т. П., FL - потухание; т. М

горение, м-жсшлальная -¡емпература и соответствующий ей диаметр частицы. ' , , '

рактер этой зависимости определяется теплбпогерями теплопроводностью. При увеличении температуры стенок и приближении ее к температуре газа происходит вырождение гистерезисной петли в интервале диаметров частиц йл2<«1<<11г (рис.56).

С учетом теплопотерь излучением температура горения при уменьшении диаметра частицы увеличивается и принимает максимальное значение (т.М, рис.Бб.в.г, рис.3, рис.4), которое в результате использования условия описывается, выражением.-

(¿"ч^К Г / „-т^ I2 • тгор м=гг+ - 1 - / / р •" с . (10)

°2Ул) / (¿*аНА ■

Когда температура горения и диаметр частицы достигают критических значений Т,п1 и <1п1 (показано стрелкой на рис.5), происходит самопроизвольный переход на низкотемпературный режим - потухание частицы.

Учет теплопотерь излучением и протекания на поверхности частицы' йарзллбльно двух реакций дает хорошее совпадение между расчетами зависимости Г^М) по формуле (9), в которой т,=тгор изменяется в интервале (г1г12, т1я1), и величины тгор и по формуле (10) с численным решением по нестационарной модели ТМО и экспериментальными данными Б.И.Бябия (рис.4, рис.5).

Предельные значения температуры горения Т1п1, Т1п2 и соответствующие им критические диаметры МП1 и с1п_), критические параметры, определяющие гетерогенное воспламенение частицы, находятся из условия экстремума'на зависимостях режимных параметров (а, Т2, пок, и, Тст) от. стационарной температуры частицы, которое эквивалентно условию касания кривых ят(Т,) и ятЦ).

На рис.6 приведены зависимости критических диаметров частицы от температуры газа йь(Тг), Уменьшение критических диаметров с!ь1 и <1п1 с ростом температуры газа связано с увеличением теплопотерь теплопроводностью. При яи*Ю и ?ст<т2 Рсст критических диаметров частица ав2, йп2, определяющих ее воспламенение и потухание, с увеличением температуры газа связан с тепло-потерями излучением и уменьшением тепловыделения за счет химических реакций в результате падения плотности массового потока окислителя к поверхности частицы. С увеличением температуры газа уменьшается различие между и с)п1, и с1п,. При и т2=т272 происходит вырождение критических условий восплтждония

— |СС

а кр ,мкм

1000-Е

100-=

10~=

с£ вр ,ЫКМ

б

юоо-

.309-=

10-=

IIII I I III I I I I I I II п 1000 1250 1500 1730 2000

пл

ТТТ"Т I I I I"! | I I I Г 500 10С0 1500 2000

т2,к

Рис.6. Зависимость йкр(Т2) при протекании ке поверхности углеродной частицы параллельных реакций (I) и СП). 1 - ч.=0; 2 -Тст=500К; 3 - ЧиИО, Тст=Т2; 4 - Тст=13СШ. - - -

йп1-' + + + йг.2>--т.7г т2 характеризуют

вырождение. критических условий, т.Ск, С -предельные параметры для воспламенения и потухания.

и потухания, т.е И}1= сЗп1=с1^, йе2= (рие.6).

Нами показано, что параметры вырождения критических условий находятся из решения системы уравнений

Б предположении протекания только реакции (I) параметры вырождения для могут быть приближенно описаны аналитически

Е - 2кт.

Ш.

Т,

Е 4 2кт,

Е

2Й

1+дп

ч=-

с2Е

2Е

Чпс

■и

Я"™

-4

Величина (к/{5) что является характерным и длл выро»;-

~ш;я критических условий при й^ в предпо.пон'.ении протекания

на ее поьерхь'хгги двух параллельных реакций.

Т> ЛЛ-Л.ОГ- ри излучен;-:«' ооусловдиаэчт существоващм

дву:-

им'.ч^лгур «таг. и Т£ (т. С и С„ на ркс.С). г.о-

торые являются точками минимума на зависимостях критических температур газа от диаметра частицы.

Для Тг>Т2Сх и <*ь,(Г2)«1н«1в2(Тг) переход на высокотемп*рт -турный режим осуществляется при любых начальных температурах частицы. В интервалах ^н^м^ и ^.г^г^н^пг^г'

воспламенение происходит, если начальная температура частицы превышает критическое значение, ограниченноэ соответственно температурами т1ь1<ти кр<т^ Т1вг<т„ крСГ1п2. '

При температурах газа ,ггс<:тг<т2с,я и начальном диаметре частицы с1п1СТ2)<с11|<с1[12(т2) переход на высокотемпературный режим возможен при условии, если начальная температура частицы выше критического значения, лежащего в интервале т1п2<тн кр<г1п1, При температурах газа Т2<Т2С переход на высокотемпературный режим невозможен ни при каких начальных диаметрах и температурах частицы. Параметры, характеризующие т.С и Ск, определяются следующими эквивалентными критериями

а " с

ид- ^

Р

+1

С учетом, условия ^ из которого следует, что кри-

тическая температура частицы ' равна температуре газа, получаем критерии для определения предельных параметров

1 { У

кч=14ехр—-ь- I

/ I

ои^С«

(Ш

Кв----г--[1 ----г------

Есчя дкомзтр «ггкяпцы удовдлворяег условии К <1, то он считается ьпяш. Е- прот;'лополокнс.м случае ,Ц'л;:*летр частицы считсгся Солшим.

йтл зйвйспугости критических сночекиЯ к/р от тс-мп^ри-

туры г'П"! пе'.ззил, что при &ост-м<>ъ>ни:1 к/р-;0.5. 5 гтГтг^н.•,; Фргиг.-.Чацкого получены 1зрЧ''»к '-?ииые формулы для ■

условгЛ периода зддукщш ггтеи глаюго госплагдадежп чзсг.гли учэтсм излучен;:;.^! 'ясшцн со стенкчма р^ищ«»:«!.';!

установки и ций

с.р.Й (ЛТ* /Е^ Г Е. 1 ^р!«1 (НТ» Г Е2 1

1 -----ехр--, 1 = —--ехр--1;

6Ч1ко1Ргп«к I ^ЯгКогРг"««

Анализ 1инд(сЗ) по формуле (13) показывает, что теплопотери излучением к стенкам реакционной установки (тст<тг) приводят к резкому увеличении периода индукции при приближении диаметра частицы к йъг. ■ ■

В этой »е главе проведен анализ влияния числа частиц на характеристики высоко- и низкотемпературных режимов ТМО. для монодисперсной и двухфракционной газовзвесей частиц при протекании на их -. поверхностях одной и двух химических реакций. С ростом числа частиц в неплотной газов?,геси (коэффициент избытка воздуха больше единицы), .критический диаметр частицы, при котором происходит ее самопроизвольное потухание, уменьшается слабо. Исследования стационарных режимов ТМО позволили получить в аналитическом, виде критические параметры гетерогенного воспламенения и самопроизвольного потухания газоьзвеси частиц. Установлено, что наиболее оптимальные условия для. сжигания газовз&есей получаются при массовых концентрациях частиц 30-50 г/и3, соответствующих коэффициентам избытка воздуха, близких к единице. .При этих условиях квазистационарныЯ высокотемпературный режим протекает с вырождением скачкообразного перехода на низкотемпературное состояние.

Б пятой глазе проводится анализ и раскрывается механизм влияния. стефзновского течения, внутреннего реагирования и нагрева частицы лазерным излучением на характеристики устойчивых и крити-•лхкй>: р*кшоь тепломассообмена частицы с одновременным учетом- ее 1'Т.; »Змл«: излучением с:о стенками реакционной установки. На ос-г. .." рс-шенкй ура»к«мй теплопроводности и диффузии • в работе полу-ч.-.чи ьнаяиткчесюе выражения для скорости стефзновского течения,

протекания на ее поверхности двух параллельных реак-

[ —ехр(7-1)] - -рЗ.

1'гх1 кр е Е1

(12)

• — • |--,

т V

теплового потока и мощности : .гяческого тепловыделения в результате^ прбтекаиия реакций (I) и 1Г> : стефниовского течения:

■ рп.„ ' ■ Мй

и = Ркр-—^ Р..- ~ (к,+?к );

«и- 4ет(-гг> . Ч--:-.

, • :р 2

Здесь ия - скорость стефзяовского течения, Мс, м02 - молярные массы с и 02 соответственно.

Показано, что наличке. стефаковского течения приводит к сужении интервала размеров частицы, в котором осуществляется ее воспламенение (рост йв1> йп1 и уменьшение увеличению

предельных температур газа Тгс и Т2С>,; уменьшение- температур газа, при которых наступает вырождение критических условий воспламенения и потухания, т^» Т2^2 (см. табл.). Эти эффекты связаны с уменьшением химического тепловыделения' и, ростом теплопотерь в газ в результате стефаювского • течения. Получен критерий для определения предельной температуры газа тгс„ (и связанных с ней параметров пои>см, Тс,Сй) в виде;

-=1,

•Установлено,, что теплообмен излучением с холодны?/т стенками реакционной установки (Гст<тг) усиливает проявлетгле влияния стефз-ювского течения на характеристики гетерогенного горения частиц, 'равнение экспериментальных и теоретических результатов, пслуче-шых с учетом стефановского течения, по зависимостям периода ннду-щии, времени и температуры горения от диаметра частицы дзот у.';сь-гетворителыгоэ согласие при температурах газа т,>1400К.

Для объяснения экспериментальных результатов 'по ьоспламенгнкю I горению углеродных частиц при температурах газа т„<14С0 К. >л

концентрациях окислителя пО11<0.23 в работе проводится учет влияния на эти процессы и- их характеристики внутреннего реагирования. Дополнительное тепловыделение в результате химических реакций внутри частицы уменьшает предельные температуры газа и концентрации окислителя, так что

Рг^к.с^Л4- ,' к, Л ----1,

20 ' . / Г

V ~ Н^Н- ^

где -. коэффициент внутренней диффузии, - удельная поверхность пор. . - • •

Одновременно происходит уменьшение критических диаметров и йп) и увеличение и ап2 - т.е. расширение интервалов размеров частицы, в которых осуществляется высокотемпературный режим. Существенно увеличивается и уменьшается (табл.).

Таблица'

Влияние стефановского течения (РвГД>) и внутреннего реагирования (к ц/О) на параметры вырождения критических условий воспламенения и потухания. Тст-Т2, пок=0.23. , .

Т27« ,к й^.ИКМ ■ '^ МКМ

1766 8.р . 1134 1100

1516 ' 30.9 1165 523

1672 6.9 752 1902

Критические значения концентрации окислителя, отделяющие область гистерезиса' стационарной температуры частицы • (пок п<пок< пок ь) от высокотемпературной (пок ь<пок) и низкотемпературной-(П0К<П0К п) областей устойчивых состояний, смещаются в сторону ниъка* значений концентраций.•

Уменьшить критические концентрации окислителя и расширить инт- ¡-«.ел рчзм*ро&, в котором осуществляются высокотемпературные состоя:-:;«. можно в результате нагрева частицы лазерным излучением. В

зависимости от температуры газа и плотности потока лазерного излучения наблюдается различный характер гистерезисных зависимостей стационарной температуры частицы от ее диаметра. При высоких температурах газа Тгс„<Т2<Т2т2 и невысоких плотностях потока лазерного излучения (qa<qx. ЧД<ЧИ) в с власти больших размеров имеется гистере~исная петля, ограниченная критическими диаметрами dj2 и dn2. С увеличением плотности потока лазерного излучения происходи вырождение этой петци' и . исчезновение предельных точек С и Сж на кривой зависимости dKp(T2). Предельная температура газа т^ и соответствующие ей концентрация окислителя и плотность потока лазерного излучения определяются критерием

Ргп<ж.с* (ЯЛ* Ч2^г)

ет<Т2Си ~ Тет.С«)-<1..Ск

С увеличением предельные значения концентрации окислителя и температуры газа уменьшаются. При <Чд<яв. закономерности

временных зависимостей температуры и диаметра частицы такие же как и при выключенном лазерном нагреве.

При больших плотностях потока лазерного излучения (чл>чж. Чя>Яц) переход на высокотемпературный уровень становится возможным при низких температурах газа. На зависимости стационарной температуры частицы от ее диаметра имеется только одна гистерезисная петля, ограниченная диаметрами dьl и йп1. '

Таким образом, проведенные исследования позволили определить механизм и д«ть аналитическое описание влияния стефановского течения, внутреннего реагирования й нагрева частицы лазерным излучением на закономерности осуществления и характеристики устойчивых высоко- и низкотемпературных состояний частицы при протекании на ее поверхности параллельных химических реакций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложены аналитические модели, позволяющие в явном виде полу. чить временные м критические характеристики высоко- и низкотемпературных состояний тепломассообмена при фазовых и химических превращениях в дисперсных системах: химически реагирующая газовая смесь - накаленные частицы; горящая капля в воздухе; движущиеся частицы, на поверхности которых протекают фазовые и химические превращения.

*

2. Проведен анализ нестационарного тепломассообмена для случаев зажигания газовой смеси движущейся накаленной частицей (фрикционной искрой). ' _ . ~

3. Изучен гистерезис тепломассообмена « скорости .испарения капли в потоке, определяемый срь&оы и восстановлением пламени на ,ее лобовой точке. Выявлена роль и влияние естественной конвекции на устойчивость горения капли. Определены ' критические, условия эстафетного воспламенения ыоноду ¡ерсной цепочки капель. .

4. Изучено взаимовлияние тепломассообмена и - кинетики химических реакций движущейся частицы при протекании на ее поверхности фазовых превращений. Определена критические условия и период индукции гетерогенного воспламенения частицы с учетом ее плавления, испарения и теплообмена тгалученигм со стенками реакционной установки. . . ■ ....'■ ' .

5. Установлены закономерности влияния теплообмена излучением и кинетики гетерогенных параллельных■ реакций на. характеристики устойчивых и критических высоко- и низкотемпературных состояний, условия вырождения критических состояний частицы. .

6. Предложен метод исследования и определены закономерности гисте-резисных зависимостей температуры, частицы от ее диаметра, температуры газа и концентрации .окислителя. Изучен механизм самопроизвольного потухания частицы. ' ' ■

7. Проведено аналитическое описание критических условий и,времени задеркки воспламенения при протекании на поверхности частицы двух параллельных реакций.

в. Определено влияние стефановскс ■> течения, внутреннего' . реагиро-ьания и нагрева частицы' лазерным' излучением на устойчивые к критические режимы тепломассообмена.'' .

П. Проведен анализ тепломассообмена и кинетики гетерогенных химических реакций в ыоно- и дьухфракционкой газоьзвеси углеродных частиц. ' ' ' ... ■ ;

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

i. ''¡:í¡«wh4í,k З.Б., Глушков В.Е. ' Горение капель бинарных смосей • в чотоле//Химич«жая физика процессов горения и взрыва. -АН СССР.' •"^•¡-•roi1977,- C.3o-23. ■'

." ч .v-í" Г.А., Каличрд В.Ь. Teívirv- и мяссообмен капли в нэгре-•.<.'•• i> //'¿пт^пка йзродисл. систем.-1377. Вып. 16.-С.97-100.

3. Глушков В.Е., Федосеева Н.В., Калинчак В.В. Скорость эстафетного механизма воспламенения аэровзвеси//' Физика ззродисп. сис-тем.~1977. Вып.16.-С.63-67.

4. Калинчак В.В., Кальян A.C.' Определение методической погрешности времени задержки воспламенен:-я частиц на трековой установке //Физика аэродисп. систем.-1903. Выгс.23.-С.70-73.

5. Глушков В.Е., Калинчак В.В., Собитняк Г.Я. Устойчивость горения каполь жидкого топлива- при различных направлениях вынужденной конвекции//Физикэ. аэродисп. систем.-1933. ВЫП.23.-С.55-59.

3. Калинчак В.В. К задаче о динамике прогрева и движения металлической частицы в горизонтальном потоке//Фиьика аэродисп. систем.-1955. Вып.27.-С.70-вЗ.

7. Калинчак В.В., Михель Ю.М. Время зажигания газа фрикционной ис-крой//Шженерно-физический журнал.-1965.- 1.51, №4.-С.114-116.

3. Орловская С.Г., Калинчак В.В. Динамика тепломассообмена и движения металлической частицы в нагретом потоке окислителя//Инж^-нерно-физический журнал.- 1955.-Т.51, W4.-C.661.

Э. Калинчак В.В., Двойнишников В.Д., Ьиленский t.В. • Математическое моделирование горения, взвеси частиц. Часть ! .//Физика аэродисп. систем.-1966. Вып.29.-С.24-29.

Ю.Виленский Т.В., Калинчак В.В. математическое моделирование горения взвеся//Физика аэродисп. систем.-1906. Вып.30.-С.31-35.

.1.Калинчак В.В., Орловская С.Г., Лаврова A.A. Анализ горения и погасания угольной частицы в потоке воздуха//Повышение эффективности ненадежности работы энергоблоков.- М.,1907.- C.ôô - 93.

.2.Калинчак В.В., Орловская С.Г. Воспламенение ускоренно движущихся металлических частиц//Физика взродисп. систем.-19Ô7. Вып. 31. -С.110-114.

3.Калинчгк В.В., Краснянский U.M., Михель Ю.М. Время зажигания взрывчатых газовых смесей неколенными частицами// Пожаровзрыво-безопоскость производственных процессов в металлургии.-М..-МКСКС, 1987.-С.273-275.

4.Калинчак В.В., Орловская С.Г. К, стационарной теории гетерогенного воспламенения и потухания частицы в газообразном скислите-

. ле//Инженерно-физический журнал,-19ÖG.-T.55, №2.-С.232-236.

5.Калинчак В.В., Ыихель Ю.М., Калинчак А.Я. Нестационарная тепловая модель зажигания газ.? движущейся фрикционной искроа//Т*п.г.о-массообмен в химически реагирующих системзх.Т.З.-Минск.- '.'ТЫС Ai! БССР. -198в. -С.00-32.

16.Калинчак B.B., Краснянский М.М., Шхель ЮМ. Время зажигания паровоздушных легковоспламеняющихся жидкостей фрикционными иск-рами//Физикг аэродисп. систем.-1939. Вып.ЗЗ.-С.69-73.

17.Калинчак В.Б. Определение времени зажигания газа движущейся фрикционной искрой// йнзхенерко-физичаский журнал.-ДЭЭЭ'!- T.5S, № 15.-C.Ö62-B63. '

15^алинчак В.В., Орловская С.Г., Кшшчах А.И. Влияние начальной температуры частиц угольной пыли' на характеристики горения//По-вышение эффективности и надежности psdora с:;грто5локов.-М. ,1989. -С.123-132.

19.Калинчак ' В.В., Стручаеа А,IL, Орловская С.Г. Инерционные характеристики пламени кяпель углеводородов при его гистерезисе // Физика горения и взрыва.-1990.-Т. 26, lil.-C.G2-97.

•20.Орловская С.Г., Калинчак В.В. Критические режимы тепло- и мас-сообмена при параллельных реакциях на поверхности частицы // Физика горения и Бзрива.-1990.-Т.2б, tti.-C.115-iiö.

21.Калинчак В.В., Орловская С.Г., Дятчук В.!.!. Влияние скорости потока окислителя на время задержки воспламенения магния/УФизика' аэродисп. систем.-1990. Вып. 33.-С. 127-133. .

22.Дубинский A.B., Калинчак В.В., Чдсиокоа М.Н. Тепломассообмен сферической частицы с газом при учете температурной зависимости коэффициентов переноса//Физика аэродисп. систем.-1991. Вып. 34. ~ С. 130-135. ' . •

23.Калинчак В.В., Орловская С.Г„ •' Калинчак А. 11 Тепломессообмениая. модель гетерогенного воспламенения и потухания частицы в газообразном окислителе//Реофизиха и теплофизика неравновесных систем. Часть Z.- Минск? А!" БССР, 1991.-С.114-117.

24.Калинчак В.В., Орловская С.Г., Калинчак А.И. Гетерогенное воспламенение ■ и потухание. частицы с учетом теплообмена излучением// Инженерно-физический журнал.-1992.-Т.62, (ЕЗ.-С.436-442. .

25.Калинчак В.В., Орловская С.Г,, Калинчак. А.И. Влияние излучения на пределы гетерогенного горения чаетицы//Материалы Международного форума. Тепломассообмен в химически реагирующих системзх.-Т.З.-Минск: АНБ, 1993.-С. 11-14.

26.Калинчак В.В. Влияние излучения на критические режимы тепло-»' моссообмена при параллельных реакциях на поверхности ччетицы// Фюика горения и взрыва,- 1934.- 1.30, К 4.-С.63-74.

ЯУ.Кзлинчак. В.В.,' Орловская С,Г,, Евдокимов . А.В,, Мандедь A.B. Горение и самопроизвольное потухание углеродной частицы в поле

- 31. г " .

лазерного излучения // Физика горения и взрыва. -1995. -Т.31, f51.-C.50 -56.

28.Калинчзк В.В., Орловская С.Г., Калинчак А.И. Влияние излучения на пределы гетерогенного горения частицы при двух параллельных реакциях// Инженерно-физический щрнэл.-19S5. -Т.63, № 3.-С.4БВ

- 473.

29,Kalinchak V.V., Orlovskaya 5.Q., Mandel АЛ. The burning and spontaneous extinction 'of carbon particle in the laser radiation field /Journal, of Aerosol Science.- 1S93.- Vol. 26.- P. 315316. :

SO.Oriovskaya S.S., Kalinchak V.V,, Kalinhcak A.I., Mandel A.V. The burning and extinction of aerosol of carbon particles / Journal of Aerosol Science.- 1995.- Vol.26.- P. 679-660. 31.Чесноков M.H., Калинчаг. В.В., Мандедь А.В., Орловская С.Г. • Горение и самопроизвольное потухакиэ углеродных частиц в поле лазерного излучения / Труды 21 Международного пиротехнического семинара.- К?.: РАН, 1995.- С.123-133.

32.Калинчгк В.З., Гаиуи И.Х., Орловская С.Г. Гистерезис горения движущихся углеродных частиц с учетом тмшгпатерь излучением / Труды 21 1,'екдународаого пкротежмческого' сашшрз. - М.: РАН, 1995.- C.SS3-37I.

33.Каяккчсл BID.. Орлоэскня С.Г. Влгате нонцектрсция окислителя ' па критические регммю гетерогенного воеплашкект п потухания

чазткц при у*это . топлсобмока излучением /Проблсми яогегено! бззпекп.-Ки'Ьг Г.ЕС Украбги, iS25.-C.a3-S§.

34.№ишкаг 3.S., Српеасквя С.Г.,» 'Гануи II.X., Прудахоаз Ю.В. Гис-CT^p.it','« горта'.п 3"""уздсйся чаеводы при протс.шшп на ее поверх-песгл. г^дз.-ш« р^гзидеЗ /Пробл-зми ncsscrxnol. безпеки,-Ки!в: ШС .УктпГ:::, ISS5.-S.86-39.

ЗЛ,, Ksr/st'tc?.' S.ik Аз!зл;гпк?скс.? определение вре.\:о-К" ^Г^кщм V. r.,ocnj:::'/sii.Ti;iia угчёродшгх тслпц сучогом аг£чяюгк:?1х р^кцкЛ я т?п'loaorepfr челнам/

юпзмютд

I. Б'/.г>. ^3.11., Ю.С\ Горок» угольной пыли и расчет пыле-

уп»п?.;кяч> лттегс. -!?.: Знергостомкздат, 1965. -206 с.

АК0ТАЦ1Я

Калшчак В.В. "Високотемпературний тепломасообмш, критичнi яь ща при фазових та х1м1чних перетвореннях в дисперсних системах".

Дисертац1я (рукопис) на здобуття вченого ступеня доктор ф1зико-мзтематичних*наук за фзхом 01.04.14 - теплоф1зика та м лекулярна ф1зика, Одеський державний ун!верситет 1м.Г. ¡.Мечникова, Одеса, 1995.

В диеергацп розроблена методика досладження, розкрито ме хан1зм та проведено аналггичний опис високотемпературних станй пстерезису теп ломасообмшу, кЛнетики фазових перетворень (плав лшня, випаровування) та хШ1чних реакцШ на поверхн! рухомих частинок (крапель) або в газов¡й фзз!. Визначена роль випром!но вання, стефа.ч1всько! течП, кшетики парзлельних'. xiMi4Hiix реак Ц1й, внутршнього' реагувэння в провесах гетерогенного спалахнен кя, горшня та затухания частинок. Розвинут! в дисертаци елементи теора та методики досл!джень е взжливим внеском в теп лоф1зику xiMi4Ho реагуючих систем та практичну теорш гор!ння.

ABSTRACT

Kalinchak V. V. The hightemperature heat and mass exchange, crl tical phenomena at phase and chemical transitions in dispersed

systems.

The Thesis (manuscript) to obtain the scientific degree с Doctor of Science (Physics and Mathematics) on ' special!t 01.04.14 - thermal and molecular physics, the I, I. Mechnikc Odessa State University. Odessa, 1995.

In Lhe Thesis has been "vorked out the method of the rese arch, the mechanism has been discovered and the analytical des cription has been made of hightemperature states, of hysteresi of the heat and mass exchange, of kinetics of the phase' transi li'-ns and cher.icai reactions on the surface of moving particle (Srops) or in the gas phase. It has been determined the role с ti radiation, of the Stefan flow, of Kinetics of parallel cbe nival reactions, internal reacting in the processes of the hete ro^-nitoutf ignition, burning and extinction of the particles. Tt ti-i.ne.'ns of theury and of the 'research method developed in tl" TtiusSis Ji'--' до important contribution to the thermophysica с •:-!к mkvUy reacting systems and the practical theory of burning. .

n-'WT.V'.r г.лппл; тсрм:>ддн:::и1кз, тепломасообмш, диечереш систем. .; -'i.-ы; ч-кпкггк.а. кЛпетиг.а xiMi4WJX реакцШ, спалахнення, rof . >... ч.-лгухокня. плаыИнкя, гипгрооувашгя,. киШння, гистерезис.