Закономерности воспламенения пористого горючего при вынужденной фильтрации газообразного окислителя

Пивушков, Александр Викторович

Закономерности воспламенения пористого горючего при вынужденной фильтрации газообразного окислителя тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.17 ВАК РФ

Пивушков, Александр Викторович АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Черноголовка МЕСТО ЗАЩИТЫ

2006 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.17 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Закономерности воспламенения пористого горючего при вынужденной фильтрации газообразного окислителя»

Автореферат диссертации на тему "Закономерности воспламенения пористого горючего при вынужденной фильтрации газообразного окислителя"

На правах рукописи

ЛиМ

Пивушков Александр Викторович

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПОРИСТОГО ГОРЮЧЕГО ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗООБРАЗНОГО ОКИСЛИТЕЛЯ

01.04.17 - химическая физика, в том числе физика горения и взрыва

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Черноголовка ■ 2006

Работа выполнена в Институте проблем химической физики РАН

Научный руководитель:

к,т.н., в.н.с. Самойленко Николай Григорьевич

Научный консультант:

член-корреспондент РАН, профессор Манелис Георгий Борисович

Официальные оппоненты:

д.ф.-м.н. профессор Шкадинский Константин Георгиевич д.ф.-м.н. профессор Гостинцев Юрий Александрович

Ведущая организация:

Томский государственный университет

Защита диссертации состоится " 2. Р " 2006 г.

в ч._00_мин. на заседании диссертационного со-

вета Д 002.082.01 при Институте проблем химической физики РАН по адресу: 142432, г. Черноголовка Московской обл., проспект академика Семенова 1, ИПХФ РАН, корп. 1/2, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПХФ РАН. Автореферат разосланРЬсТХЗпЛ- 2006 г

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.082.01

кандидат физико-математических наук А.А. Юданов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Стационарное горение гетерогенных систем (конденсированное горючее — газообразный окисли-.тель) широко используется при решении технологических и экологических проблем. Оно также является основой новых наукоемких энергосберегающих технологий, таких как переработка промышленных и бытовых отходов в сверхадиабатическом режиме фильтрационного горения, получение новых материалов и изделий в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, в энергетических установках, использующих низкокалорийное горючее и т.д.

Стационарному распространению волны горения всегда предшествует период его установления, который зависит от условий воспламенения и механизмов подвода газообразного окислителя к конденсированному горючему.

Воспламенение играет негативную роль в сельском хозяйстве и промышленности: самосогревание зерна в хранилищах и воспламенение масличных культур в элеваторах, воспламенение запасов угля при хранении и транспортировке. Воспламенение и горение угольных отвалов и торфяников приводит к существенному загрязнению окружающей среды.

Воспламенение гетерогенных систем по сравнению с гомогенными системами имеет ряд существенных особенностей. Эти особенности связаны с переносом тепла движущейся газовой фазой в более глубокие слои пористого горючего, разделением компонентов химических реакций по фазовым состояниям и их локализацией в пространстве.

Процесс воспламенения может развиваться в глубоких слоях конденсированного горючего. При формировании стационарного

фронта горения наблюдаются режимы фильтрационного воспламенения со встречным и затем спутным движением профиля температуры.

В связи с вышеизложенным исследование закономерностей воспламенения гетерогенных систем представляет большой научный и практический интерес. Знание режимов воспламенения и их закономерностей позволит, во-первых, выбрать оптимальные условия запуска технологических устройств и, во-вторых, создать научные основы для оценки безопасных условий хранения и транспортировки таких пористых горючих, как уголь, торф и т.п.

Цель и задачи исследования. Главной целью проведенной работы было исследование макрокинетических закономерностей воспламенения гетерогенных систем методом математического моделирования. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

Разработать математическую модель, создать алгоритм и программу численного исследования гетерогенной системы пористое горючее - газообразный окислитель, учитывающую конечную длину горючего, сложную кинетику протекания реакции между горючим и окислителем, выгорание и изменение пористости горючего в ходе реакции. На базе этой модели провести численные исследования температурных и концентрационных полей, в ходе реакции при различных значениях определяющих параметров. Определить область значения этих параметров, при которых реализуются взрывной и безвзрывной характер протекания процесса. Определить критические условия протекания процесса.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное теоретическое исследование воспламенения гетерогенной системы пористое горючее-газообразный окислитель. В результате которого разра-

батаны физическая и математическая модель процесса воспламенения,

• рассчитаны профили температур и концентраций всех компонент, входящих в гетерогенную систему,

• определены области изменения основных параметров (температура и расход окислителя, размер системы, кинетические характеристики химической реакции и др.), в которых реализуются режимы безвзрывного и взрывного протекания процесса,

• исследованы нестационарные закономерности установления тепловых режимов.

Нестационарные явления, присущие процессам воспламенения, делают изучение этих процессов важными как с теоретической, так и практической точки зрения.

Практическая ценность. В настоящей работе проведено математическое моделирование воспламенения гетерогенной системы конденсированное пористое горючее - газообразный окислитель при фильтрационном механизме движения окислителя.

Создана программа математического моделирования экзотермических процессов, происходящих в гетерогенной системе.

Проведено исследование возможных режимов воспламенения при различных значениях основных параметров гетерогенной системы.

Проведены исследования закономерностей воспламенения гетерогенной системы при варьировании температуры и расхода окислителя, размера системы, кинетических характеристик химической реакции коэффициента теплообмена и др.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на ученых советах Отдела горения и взрыва ИПХФ РАН, ученых советах ИПХФ РАН, а также на следующих конференциях: Междисциплинарной конференции "НБИТТ-21", г. Петрозаводск, ПетрГУ, 2003 г., Всероссийской школе-семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых, г. Черноголовка, ИСМАН, 2003, 2005 гг., XII! симпозиуме по горению и взрыву, г. Черноголовка ИПХФ, 2005 г., Конкурсе молодых ученых им. С.М. Батурина, г. Черноголовка ИПХФ, 2003, 2004, 2005 гг.

Публикации. По результатам работы имеется 4 публикации.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 90 страниц состоит из введения, трех глав (обзор литературы, изложение и выводы), заключения, списка цитируемой литературы. Работа содержит 23 рисунка, таблицу. Список цитируемой литературы содержит 38 наименования отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, сформулированы цель и задачи исследования, показаны научная и практическая ценности работы.

Первая глава диссертации является литературным обзором, в котором освещено состояние работ по исследованию стационарных и нестационарных явлений при взаимодействии горючего и окислителя. Указана область, которая является предметом исследования диссертации.

Во второй главе описаны режимы воспламенения гетерогенной системы при вынужденной фильтрации газообразного окислителя

Исследовали систему пористое горючее - газообразный окислитель. Горючее представляло собой образец реакционно-способного вещества конечной длины с заданной пористостью.

Рассматривали как вынужденную фильтрацию, так и диффузию окислителя внутрь образца. Так как в работе рассматривали дозвуковые скорости подачи окислителя внутрь образца, то давление газа считали постоянно по всей длине образца. Газовая фаза содержала инертную компоненту.

Из работ известных в литературе [1-3] следует, что химическое взаимодействие между конденсированным горючим и газообраз-

ным окислителем проходит по сложной кинетической схеме. Поэтому в диссертации учитывалась двухстадийность взаимодействия между конденсированным горючим и газообразным окислителем. В первой стадии реагирует окислитель с конденсированным горючим с образованием газообразных' продуктов, во второй окислитель взаимодействует с газообразными продуктами первой стадии. Обе стадии экзотермические. В ходе процесса происходит изменение пористости образца за счет выгорания горючего.

Часть выделяющегося в ходе реакции тепла отводится теплопроводностью и конвекцией в не прореагировавшие слои горючего. Другая часть тепла отводится в окружающую среду по закону Ньютона.

Предлагаемая математическая модель воспламенения конденсированного горючего при взаимодействии с газообразным окислителем записывается в одномерной, однотемпературной постановке.

Схема процесса представлена на рисунке

ФИЗИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ.

§ 5

— — - профиль температуры» ■ ■' — профиль окислителя.

, ¡а 'о^,

■ - -¿Уш •■¡•'Л*- в

I I1» ■ л • ■ ■ .

Система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая предложенную физическую модель имеет следующий вид:

-уравнение теплопроводности:

ЭТ . _ „ Эт

Э2т

т-т

¿71Г

0 4 . ¡¡01 , о "I о

+ бу (Г) аох+ т Ц (7*) р£2 ар аахХ

-уравнение неразрывности для окислителя:

Ьа

— ) = — (тС)Р8 —71) - — «а* )

д( дх дх дх

- р (1 - у. (Г)(1 аох ~ (Т)р8аохар;

-уравнение неразрывности для промежуточного продукта:

да

д д — (шр ЙГ ) - — (пФр дг 3 Р Эх 8 дх

Р э

И)--<ир а ) +

Эл: 8 Р

' V V ^

Р Р

Ц V

У ОХ ОХ у

р(\~т)к(Т){\-ц )р а -/ / / 8 ох

С \

и V

Р Р

р V

у ох ох

к (Г)р а а ; Р г ох р

-уравнение неразрывности для конечного продукта: Э Э даГт Э

Эг

^угп

р^р(Т)араох\

-уравнение неразрывности для инертной компоненты:

— (тР§ ат ) = — (тОр

да;

Э/ '6 э.г '8 дх дх

-балансное соотношение для компонент:

= 1;

аох+ат+ар+а/т

-уравнение состояния:

Р =р

аох , ат , аР ,

Яш

ЯГ;

-кинетический закон окисления горючего:

ЭП

/ '

Эг

= к у (7* )(1 - п у ;

-закон изменения пористости:

т(1,х)=то + (1-то)г|5<;

-граничные условия: при х=0:

ai о 0 0 Uc„p„T-X— = (/ сдрдТв\Uр aox-mDp

8 8

8 ох

при x=L:

-начальные условия: f=0;

Tf =г?; 77 =0; a

1ох аох

Р =afin =0;

Здесь m - пористость; с- удельная теплоемкость; р- плотность; U - линейная скорость фильтрации газа; D - коэффициент диффузии; Л - эффективный коэффициент теплопроводности, h=hf(1-m)+hgrrr, а - коэффициент теплообмена; S - поверхность теплоотдачи; V-объем; L- длина; Qf и Off - тепловой эффект первой и второй стадий соответственно; кю и кд0 - предэкспоненты первой и второй стадий; Efvi Ед- энергии активации первой и второй стадий; ¡л — молекулярный вес; v —стехиометрический коэффициент; Я-уни-версальная газовая постоянная; Т, х, и t-соответственно температура, координата и время; а - доля вещества в газе; q - глубина превращения; ôf - доля конденсированного горючего превратившегося в газ (в расчетах принята 1). Р0- давление.

Верхний индекс 0 - начальное значение. Нижний индекс / относится к горючему, g - к газу, fin - к конечному продукту, р - к промежуточному продукту, ох - к окислителю, in - к инертной компоненте, env - к окружающей среде.

Теоретические исследования проводили при значениях тепло-физических и кинетических характеристик, значения которых приведены в таблице.

Характеристика Значение Размерность

Молекулярный вес горючего, ¡Xf 12 г/моль

Стехиометрический коэффициент для горючего, V/ 2 -

Молекулярный вес продукта первой стадии, й» 28 г/моль

Стехиометрический коэффициент для продукта первой стадии, vp 2 -

Молекулярный вес окислителя, /л<>х 32 г/моль

Стехиометрический коэффициент для окислителя, Vox 1 -

Молекулярный вес продукта второй стадии, Цт 44 г/моль

Стехиометрический коэффициент для продукта ВТОРОЙ СТаДИИ. Vfin 2 -

Молекулярный вес инертной компоненты, ¡Лт 28 г/моль

о Начальная доля продукта, CI п 0.0 -

Доля окислителя на входе, С1пх 0.25 -

0 Начальная доля конечного продукта, и Гт 0.0 -

0 Начальная доля инерта, Uin 0.75 -

Тепловой эффект первой стадии, О/ 300 кал/г

Тепловой эффект второй реакции, Qg 100 кал/г

Универсальная газовая постоянная, Я 1.9858 кал/моль град

Предэкспонент первой стадии, к& Ю10 см3/с г

Энергия активации первой стадии, Е/ 20000 кал/моль ,

Предэкспонент второй стадии, код 1015 смэ/с г

Энергия активации второй реакции, Eg 30000 кал/моль

Плотность горючего, pto 2.2 г/см3

продолжение табл.

Длина образца, 100.0 см

Пористость горючего, т 0.5 -

Теплоемкость горючего, с/ 0.16 кал/г град

Коэффициент теплопроводности, Я 0.006 кал/см с град

Теплоемкость газа, сд -0.24 кал/г град

Исследования показали, что воспламенение гетерогенной системы при вынужденной фильтрации газообразного окислителя при фиксированном массовом расходе, но при различных значениях температуры, может происходить в двух тепловых режимах: низкотемпературном и высокотемпературном [4].

В работе показано, что переход от низкотемпературных режимов к высокотемпературным происходит в достаточно узкой .области температуры входящего газа (примерно два градуса). Это позволяет использовать для характеристики воспламенения гетерогенной системы понятие критической температуры, введенное в классической теории теплового взрыва, основы которой заложены работами H.H. Семенова [5], О.М. Тодеса [6,7) и Д.А. Франк-Каменецкого [8]. В данной работе за критическую температуру принято среднее арифметическое значение температур входящего потока, соответствующих ближайшим низкотемпературному и высокотемпературному режимам.

При численных исследованиях воспламенения гетерогенной системы обнаружили, что точное определение периода индукции является очень сложной задачей. Нами были проведены серии расчетов, которые показали, что с достаточной степенью точности (порядка 10-15%) за период индукции для надкритических режимов можно принять время достижения разогрева в пятнадцать характерных интервалов RTg /Ef.

Вблизи критического условия реализуется режим вспышки, при котором хотя и достигаются высокие температуры в образце, но формирование фронтального режима горения не происходит.

В экспериментальных работах (например [9]) при исследовании закономерностей воспламенения образцов угля наблюдается перемещение максимума температуры возникнувшего в центральных

областях образца сначала к входу воздуха в образец (встречное движение максимума температуры), а затем к выходу (спутное движение). В диссертации теоретически подтверждено наличие в надкритических режимах встречного (против потока газовой фазы) и спутного (по потоку) движения фронтов температуры и концентраций.

Итак, в II главе показано, что возможны два основных тепловых режима воспламенения. В подкритическом режиме разогревы системы малы, температура и глубины превращения изменяются по пространству плавно. Высокотемпературный режим характеризуется большими разогревами. Максимумы температуры и глубины превращения горючего зарождаются внутри образца. Этот режим приводит к формированию фронтального режима горения. Температурный интервал перехода от низкотемпературных режимов к высокотемпературным узок (1-2 °С), что позволило ввести понятие критической температуры.

В третьей главе исследовали влияние характеристик гетерогенной системы на ее воспламенение.

Влияние переменной пористости

При химическом превращении конденсированного горючего его пористость должно меняться. В работе впервые исследовано влияния пористости, меняющейся в ходе процесса выгорания горючего, на характеристики воспламенения исследуемой гетерогенной системы.

На рисунке 3.1 приведена характерная зависимость максимального разогрева системы от температуры фильтрующегося газообразного окислителя при постоянной (кривая 1) и переменной (кривая 2) пористости. Видно, что переход от малых разогревов к большим разогревай, как при постоянной, так и переменной пористости, происходит в узком интервале температур входящего газа. Качественная картина воспламенения не меняется, изменяются только численны^ значения критической температуры, которая разделяет подкритические и надкритические режимы. В адиабатическом случае для образца длиной один метр и скорости продува газа 1 м/с, увеличение этой температуры при переменной пористости составляет 10-15 °С.

Аналогичные закономерности наблюдали в широком интервале изменения удельного расхода и температуры газа-окислителя.

150

100

I - т ч

- г

Л- )

100

120

140 Т, С

160

Рис. 3.1. Зависимость максимального разогрева системы от температуры фильтрующегося газообразного окислителя. 1-т=0.5, 2-т(п)=Шо+(1 -то)П^- а=0,Л/р=0.1 г/см2 с

Влияние переменной пористости на зависимость критического периода индукции от массового расхода иллюстрируется данными расчета, приведенными на рисунке 3.2. Здесь сплошная кривая -постоянная пористость, пунктирная кривая - переменная пористость.

Из данных, приведенных на этом рисунке, видно, что качественных изменений нет. Критический период индукции уменьшается с увеличением массового расхода как при постоянной (сплошная линия, рис. 3.2), так и при переменной пористости (штриховая линия, рис. 3.2), но кривая, полученная при переменной пористости, лежит ниже. Это связано с тем, что в этом случае зависимость критической температуры от расхода, полученная при переменной пористости лежит выше (см. рис. 3.4).

На рисунке 3.3 представлена эволюция профиля температуры (а) и глубины превращения (б) для надкритического режима для случая переменной пористости - штриховые линии и постоянной пористости - сплошные линии.

V , г/с сма

Рис. 3.2. Зависимость критического периода индукции от массового расхода. 1 - постоянная пористость. 2 - переменная пористость

Из данных приведенных на этом рисунке видно, что учет зависимости пористости от глубины превращения горючего не влияет на качественную картину воспламенения. Профили температуры для случая постоянной пористости отличаются только тем, что продвижение максимума температуры к левой границе образца происходит на большее расстояние.

Глубина превращения для случая переменной пористости выше глубины превращения при постоянной пористости. Это происходит из-за того, что в этом случае и температура больше (кривая 3, рис. 3.3 а) и освободившееся от конденсированного горючего пространство поступает окислитель с меньшей линейной скоростью. Время пребывания окислителя в единице объема увеличивается, вследствие этого увеличивается и выгорание.

Рис. 3.3. Профили температуры (а) и глубины превращения (б) в различные моменты времени: 1-3 мин, 2-4 мин, 3-6 мин, 4-8 мин. Сплошная линия при постоянной пористости, пунктирная линия - при переменной. а=0, Ур=0.1 г/см2 с. Тд=145 °С

Влияние расхода на критическую температуру

Зависимость критической температуры от массового расхода окислителя при коэффициенте теплоотдачи, равном 10~3 кал/см2 с град, приведена на рисунке 3.4 (сплошная линия - постоянная пористость, пунктирная линия - переменная пористость). Из данных, приведенных на этом рисунке, видно, что эта зависимость имеет минимум при массовом расходе примерно 0.06 г/с см2. Уменьшение критической температуры при массовых расходах от 0.01 до 0.06 г/с см2 объясняется тем, что при таких расходах, мало окислителя поступает в образец, поэтому и скорость тепловыделения мала. Эта область параметров, как показали предварительные

расчеты, соответствует вырожденным режимам теплового воспламенения и требует дополнительного исследования. Рост критической температуры при массовых расходах больших 0.06 г/с см2 связан с увеличением количества тепла, идущего на нагрев входящего газа.

Учет переменной пористости (пунктирная кривая, рис. 3.4) показывает, что в исследованном интервале значений кинетических и теплофизических характеристик гетерогенной системы качественная картина теплового воспламенения не изменяется.

180

170

160

150

140

130

/ г (

2/ / / Г 1 /

/ / » 1 / 1 / 1

/ / / / / / Г /

ч N. - - / ~ /

Ур, г/с см2

0.01 0,02 0,05 0,14 0,37

Рис. 3.4. Зависимость критической температуры от массового расхода окислителя. 1 - постоянная пористость, 2 - переменная пористость, точки -постоянная пористость и наличие диффузии, а = 0.001 кап/см2 с град, Э=0.1 см2/с

Критическая температура, полученная при переменной пористости (штриховая линия, рис. 3.4) всегда выше критической температуры, полученной при постоянной пористости (сплошная линия) во всем исследуемом интервале массового расхода. Это связано с тем, что в освободившийся от горючего объем поступает газовая фаза с меньшей линейной скоростью. Время пребывания газовой

фазы в единице объема увеличивается, что требует, в свою очередь, дополнительного расхода тепла на ее нагрев.

Влияние диффузии

Было проведено исследование влияния диффузионного транспорта окислителя на критическую температуру воспламенения. Расчеты проведены при постоянной пористости. Результаты расчета представлены точками на рисунке 3.4. Оказалось, что в исследованном интервале расходов окислителя диффузия не оказывает влияния. Это подтверждают также и оценки диффузионного критерия Пекле Ре=\/17гпо0, где V, 1_ - соответственно характерная скорость и характерная длина, Э - коэффициент диффузии, т0 -пористость. При \Л=10 см/с, 1=100 см, 0=0.1 см /с, т0=0.5. Ре«20000, т.е. фильтрационный поток превалирует над диффузионным потоком. Влияние диффузии на закономерности воспламенения гетерогенной системы будет проявляться в вырожденных режимах при малых массовых расходах (< 0.01 г/с см2).

Влияние длины образца

Окислитель, подающийся внутрь образца, является теплоносителем. В связи с этим было исследовано влияние длины образца на закономерности воспламенения гетерогенной системы.

На рисунке 3.6 приведена зависимость критической температуры от дпины образца. Видно, что с уменьшением длины образца критическая температура увеличивается. Рост критической температуры с уменьшением дпины образцов определяется действием, в этом случае газовой фазы, как сток тепла и, конечно, влиянием зоны прогрева входящего газа.

Влияние кинетических характеристик

Исследования показали, что наличие второй стадии существенно влияет на закономерности воспламенения гетерогенной системы.

Константу скорости изменяли, меняя предэкспоненциальный множитель. На рисунке 3.7 представлены зависимости максимальных разогревов системы от температуры входящего газа для четырех значений предэкспоненциального множителя второй стадии. Из данных представленных на этом рисунке видно, что с ростом предэкспоненциального множителя (кривые 1-4, рис. 3.7) критическая температура уменьшается незначительно.

140-

120-

100-

80-

т Cr" с

• L, cm

60-

40-

4000

8000

12000

16000

Рис. 3.6. Зависимость максимальных разогревов от температуры входящего газа для образцов различной длины. 1 - 260 см, 2 - 100 см, 3-40 см, 4 - 10 см

500 ,

300

200

100

I *

--- J т.°с

Рис. 3.7. Зависимости максимальных разогревов системы от температуры входящего газа для четырех значений предэкспоненциального множителя второй стадии: 1 - 1015, 2- 1010, 3- 10 ,4-Ю24

Существенное влияние увеличение предэкспоненциального множителя оказывает на величину максимального разогрева высокотемпературного режима. При больших значениях предэкспоненциального множителя, (кривые 3 и 4, рис. 3.7) вторая стадия становится «быстрой». Существенная часть окислителя уже расходуется в ней. Это приводит к тому, что в этом случае суммарное количество выделяемого тепла становится меньше по сравнению с количеством выделяемого тепла, в случае, когда предэкспоненциальный множитель второй стадии мал. В нашей задаче количество выделяющегося в ходе реакции тепла рассчитывается на грамм участвующих в реакции компонент. Поэтому хотя тепловые эффекты реакций сравнимы (300 и 100 кал/г), но вторая стадия идет в газовой фазе и вклад второй стадии в суммарное тепловыделение будет мал.

На рисунке 3.8 представлена эволюция профилей температуры в образце для надкритического режима. Результаты приведены для двух вариантов. Первый вариант - отсутствие второй стадии (сплошные кривые). Второй вариант — наличие второй стадии (случай «быстрой» реакции, пунктирные кривые).

а = 0, Vp=0.1r/CM1 с

,°С Г \ 4 S

\ \

' « 5

1 — i г-у 1 г 1 J 4 ■ч Z

¿у ^ - - 1 ^ ^ „

60 70 80 90 Х,СМ 100

Рис. 3.8 Профили температуры в образце для надкритического режима. Сплошные кривые - kg=0, пунктирные кривые - kg=1024 смэ/с г. 1 - 600 с, 2 -700 с, 3 - 800 с, 4 - 900 с, 5 - 1000 с

Из данных, представленных на этом рисунке видно, что при наличии второй стадии максимум температуры (пунктирная кривая 1, рис. 3.8) зарождается в слоях образца более близких к центральным, чем при отсутствии второй стадии (сплошная кривая 1, рис. 3.8). Это происходит из-за дополнительного вклада в суммарное тепловыделение второй «быстрой» экзотермической стадии на стадии формирования концентрационных и температурных фронтов. Но температура образца во фронте уже сформировавшейся волны, больше для случая отсутствия второй стадии (сплошные кривая 35, рис. 3.8). Это связано с тем, что вторая стадия обладает меньшим тепловым эффектом и поглощает окислитель, отнимая его у первой, "медленной".

На рисунке 3.9 представлены зависимости критической температуры от массового расхода окислителя.

170

160

150

140

130

120

/С

- у у

• J /г

■ /

• V/ Ур , г/с см*

-0,25

0,00

0,25 . 0,50

0,75

1,00

Рис. 3.9. Зависимости критической температуры от массового расхода окислителя для двух наборов тепловых эффектов 1 - а=0.001, 0<=300, Од— 100; 2 - а=0.001, 0(=400, 0д=0. [а1=кал/см2 с град, [0]=кал/г

Приведены данные для двух наборов тепловых эффектов:

1) тепловой эффект первой стадии 300 кал/г, тепловой эффект второй стадии 100 кал/г (кривая 1, рис. 3.9);

2) тепловой эффект первой стадии 400 кал/г, тепловой эффект второй стадии равен нулю (кривая 2, рис. 3.9);

Из данных, представленных на этом рисунке, видно, что, хотя суммарный тепловой эффект гетерогенной системы не меняется, критическая температура в первом случае больше. Это связано с тем, что первая стадия является ведущей и протекает в конденсированной фазе, поэтому изменение ее теплового-эффекта существенно влияет на критическую температуру.

Влияние коэффициента теплообмена

На рисунке 3.10 представлены зависимости максимального разогрева образца от температуры входящего газообразного окислителя при четырех значениях коэффициента теплообмена гетерогенной системы с окружающей средой.

Рис. 3.10. Зависимости максимального разогрева образца от температуры входящего газообразного окислителя. 1 -а=0.0005, 2-а=0.001, 3-а=0.005, 4-а=0.01. [а]=кал/сма с град "

Из данных, представленных на этом рисунке, видно, что характер кривых с увеличением коэффициента теплообмена (кривые 1-4, рис. 3.10) не меняется. Уменьшаются максимальные разогревы образца в надкритическом режиме при увеличении коэффициента теплообмена. Это происходит из-за более интенсивного теплообмена конденсированного горючего с окружающей средой.

На рисунке 3.11 представлены зависимости критической температуры от величины массового расхода газообразного окислителя при трех значениях коэффициента теплообмена гетерогенной системы с окружающей средой.

Рис. 3.11. Зависимости критической температуры от величины массового расхода газообразного окислителя при разных а. [ а]=кал/см2 с град

Из данных представленных на этом рисунке видно, что качественный характер этих зависимостей не меняется. С увеличением коэффициента теплообмена от 0.001 до 0.005 кал/см2 с град, минимум критической температуры, возрастает примерно от 133 °С, до 165°С. Эти факты объясняются увеличением потерь тепла в окружающую среду.

Следует заметить, для более корректного анализа влияния коэффициента теплообмена на характеристики воспламенения следует решать двумерную задачу с учетом распределения температуры и соответственно, концентраций в радиальном направлении.

Итак, в главе III показано, что зависимость критической температуры воспламенения от массового расхода окислителя немонотонна и имеет минимум. Уменьшение длины образца приводит к росту критической температуры, что обусловлено уменьшением времени пребывания газовой фазы в конденсированном горючем и влиянием зоны прогрева. Учет зависимости пористости от глубины превращения горючего не приводит к существенным качественным изменениям картины воспламенения, но количественно влияет на критическую температуру, что связанно с увеличением времени пребывания газовой фазы в образце. В исследованном интервале значений массового расхода диффузионный транспорт не оказывает существенного влияния ни на закономерности воспламенения, ни на количественные значения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Разработана одномерная однотемпературная макрокинетиче-ская модель воспламенения гетерогенной системы (пористое горючее - газообразный окислитель) в условиях безнапорной вынужденной фильтрации для двухстадийной последовательной реакции.

Модель учитывает размеры и теплообмен системы с окружающей средой, изменение пористости при выгорании горючего и диффузию окислителя в движущейся газовой фазе.

Получены следующие основные результаты:

1. Возможны два тепловых режима протекания реакции. Низкотемпературный режим характеризуется слабыми разогревами, а высокотемпературный режим характеризуется большими разогревами. Последний режим приводит к формированию фронтов температуры и компонент.

2. При принятых кинетических характеристиках последовательной реакции, переход от низкотемпературных режимов к высокотемпературным происходит в узкой области по температуре входящего газа. Это позволило использовать для описания явления такие характеристики как критическое условие и период индукции.

3. Вблизи критической температуры реализуется режим вспышки, который не приводит к формированию фронтов температуры, но в нем достигаются значительные разогревы у правой границы.

4. Зависимость критической температуры воспламенения от массового расхода окислителя немонотонна, имеется минимум. Минимум появляется вследствие сложного влияния потока газовой фазы на воспламенение.

5. Теоретически подтверждены экспериментальные результаты [9] о том, что в надкритических режимах реализуется встречное и спутное движение фронтов температуры и концентраций.

6. Учет зависимости пористости от глубины превращения горючего изменяет численные значения критической температуры. В исследованном интервале массового расхода окислителя диффузионный транспорт не оказывает влияния на закономерности воспламенения.

7. Уменьшение длины образца приводит к росту критической температуры. Это происходит из-за уменьшения времени протекания химической реакции вследствие уменьшения пребывания газовой фазы в конденсированном горючем.

8. Изменение константы скорости второй стадии незначительно влияет на критическую температуру воспламенения гетерогенной системы, но существенно изменяет максимальную температуру в надкритическом режиме из-за уменьшения суммарного выделения тепла.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Пивушков A.B., Перегудов Н.И., Самойленко Н.Г. Режимы воспламенения гетерогенных систем. И Химическая физика, 2005, Т. 24, № 2, С. 82-87.

Пивушков A.B., Перегудов Н.И., Самойленко Н.Г. Закономерности воспламенения пористого горючего при вынужденной фильтрации газообразного окислителя. И Сборник трудов XIII симпозиума по горению и взрыву, 2005, Черноголовка, Институт Проблем Химической Физики.

Пивушков A.B., Перегудов Н.И., Самойленко Н.Г. Закономерности воспламенения гетерогенных систем. // Международная междисциплинарная конференция "НБИТТ-2Г, 2003, г. Петрозаводск. (Сборник тезисов докладов)

Пивушков A.B., Перегудов Н.И., Самойленко Н.Г. Всероссийская школа по структурной макрокинетике для молодых ученых, г. Черноголовка, 2003-2005 гг. (Сборники тезисов докладов)

ЛИТЕРАТУРА

1. Carras J.N., Young B.C. Self-heating of coal and related materials: models, application and test methods. U Prog. Energy Combust Sci, 1994, V. 20, № 1, P. 1-15.

2. Chen X.D., Stott J.B. Oxidation rates of coals as measured from one-dimensional spontaneous heating. // Combustion and Flame, 1997, V. 109, №4, P. 578-586.

3. Wang H., DIugogorski В-Z., Kennedy E.M. Kinetic modeling of low-temperature oxidation of coal. // Combustion and Flame, 2002, V. 131, P. 452-469.

4. Пивушков A.B., Перегудов Н.И., Самойленко Н.Г. Закономерности воспламенения пористого горючего при вынужденной фильтрации газообразного окислителя. XIII Симпозиум по горению и взрыву, 2005, Черноголовка, Институт Проблем Химической Физики, http://orel3.rsl.ru/nettext/russian/gor_i_vzr/index.htm.

5. Семенов Н.Н. Цепные реакции. U 2-е изд.: М.: Наука, 1986.

6. Тодес О.М. К теории теплового взрыва. Н Журнал физической химии, 1933, Т. 4, № 1, С. 78-80.

7. Конторова Т.А., Тодес О.М. К теории теплового взрыва. И Журнал физической химии. 1933, Т. 4, №1, С. 81-91.

8. Франк-Каменецкий Д.А. Распределение температур в реакционном сосуде и стационарная теория теплового взрыва. НЖурнал физической химии, 1939, Т. 13, № 6, С. 738-755.

9. Рафеев В.А., Самойленко Н.Г., Авдонин В.В., Кирпичев Е.П., Штейнберг В.Г., Манелис Г.Б. Воспламенение угля е фильтрационном режиме. // Химическая физика, 2001, Т. 20, № 7, С. 2629.

Пивушков Александр Викторович Закономерности воспламенения пористого горючего при вынужденной фильтрации газообразного окислителя

Сдано в набор 13.10.06. Подписано в печать 1S.10.06. Формат 60x90/16. Печать офсетная. Гарнитура «Ариал». Объем 1.5 п.л. Заказ 212. Тираж 100,

Подготовлено и отпечатано в типографии ИПХФ РАН. 142432, г. Черноголовка, Моск. обл., пр-т академика Семенова, 5.

Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидата физико-математических наук, Пивушков, Александр Викторович

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Глава II. РЕЖИМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗООБРАЗНОГО ОКИСЛИТЕЛЯ

§ 2.1. Физическая постановка задачи.

§ 2.2. Математическая постановка задачи.

§ 2.3. Метод решения.

§ 2.4. Результаты расчетов и обсуждение.

§ 2.4.1. Низкотемпературный режим

§ 2.4.2. Высокотемпературный режим

§ 2.4.3. Критическое условие и период индукции

§ 2.5. Краткие выводы главы II.

ГЛАВА III. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЫ НА ЕЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ

§ 3.1. Постановка задачи.

§ 3.2. Влияние переменной пористости.

§ 3.3. Влияние расхода на критическую температуру.

§ 3.4. Влияние диффузии.

§ 3.5. Влияние длины образца.

§ 3.6. Влияние кинетических характеристик.

§ 3.7. Влияние коэффициента теплообмена.

§ 3.8. Краткие выводы главы III.

Введение диссертация по физике, на тему "Закономерности воспламенения пористого горючего при вынужденной фильтрации газообразного окислителя"

Актуальность темы. Стационарное горение гетерогенных систем (конденсированное горючее - газообразный окислитель) широко используется при решении технологических и экологических проблем. Оно также является основой новых наукоемких энергосберегающих технологий, таких как переработка промышленных и бытовых отходов в сверхадиабатическом режиме фильтрационного горения, получение новых материалов и изделий в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, в энергетических установках, использующих низкокалорийное горючее и т.д.

Воспламенение играет негативную роль в сельском хозяйстве и промышленности: самосогревание зерна в хранилищах и воспламенение масличных культур в элеваторах [1], воспламенение запасов угля при хранении и транспортировке [2], воспламенение и горение угольных отвалов и торфяников приводит к существенному загрязнению окружающей среды [3].

В связи с вышеизложенным исследования закономерностей воспламенения гетерогенных систем представляет большой научный и практический интерес. Знание режимов воспламенения и их закономерностей позволит, во-первых, выбрать оптимальные условия запуска технологических устройств и, во-вторых, создать научные основы для оценки безопасных условий хранения и транспортировки таких пористых горючих, как уголь, торф и т.п.

Процесс воспламенения может развиваться в глубоких слоях конденсированного горючего. При формировании стационарного фронта горения наблюдаются режимы фильтрационного воспламенения со встречным и затем спутным движением профиля температуры.

Цель работы. Исследование макрокинетических закономерностей и оценка оптимальных условий воспламенения гетерогенных систем методом математического моделирования. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

Разработать математическую модель, создать алгоритм и программу численного исследования гетерогенной системы пористое горючее -газообразный окислитель, учитывающую конечную длину горючего, сложную кинетику протекания реакции между горючим и окислителем, выгорание и изменение пористости горючего в ходе реакции. На базе этой модели провести численные исследования температурных и концентрационных полей, в ходе реакции при различных значениях определяющих параметров. Определить область значения этих параметров, при которых реализуются взрывной и безвзрывной характер протекания процесса. Определить критические условия протекания процесса.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное теоретическое исследование воспламенения гетерогенной системы пористое горючее -газообразный окислитель. В результате которого:

• разработаны физическая и математическая модель процесса воспламенения.

• рассчитаны профили температур и концентраций всех компонент, входящих в гетерогенную систему.

• исследованы нестационарные закономерности установления тепловых режимов.

Нестационарные явления присущие, процессам воспламенения, делают изучение этих процессов важными как с теоретической, так и практической точки зрения.

Создана программа для математического моделирования экзотермических процессов происходящих в гетерогенной системе.

Проведено исследование возможных режимов воспламенения при различных значениях основных внешних параметров гетерогенной системы.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Междисциплинарной конференции "НБИТТ-21", г. Петрозаводск, ПетрГУ, 2003 г., Всероссийской школе-семинаре по структурной макрокинетике для молодых ученых, г. Черноголовка, ИСМАН, 2003 г., XIII симпозиуме по горению и взрыву, г. Черноголовка ИПХФ, 2005 г., Конкурсе молодых ученых им. С.М. Батурина, г. Черноголовка ИПХФ, 2003-2005 гг.

Публикации. По результатам работы имеется 4 публикации. Структура и объем работы. Диссертация объемом 90 страниц состоит из введения, трех глав, выводов, содержит 23 рисунка, таблицу. Список литературы содержит 38 наименований отечественных и зарубежных авторов.

Заключение диссертации по теме "Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва"

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана одномерная однотемпературная макрокинетическая модель воспламенения гетерогенной системы (пористое горючее -газообразный окислитель) в условиях безнапорной вынужденной фильтрации для двухстадийной последовательной реакции.

Исследование модели позволило получить следующие результаты:

1. Возможны два тепловых режима протекания реакции. Низкотемпературный режим характеризуется слабыми разогревами и высокотемпературный режим характеризуется большими разогревами. Последний режим приводит к формированию фронтальных режимов.

5. Теоретически подтверждены экспериментальные результаты [37] о том, что в надкритических режимах реализуется встречное и спутное движение фронтов температуры и концентраций.

6. Учет зависимости пористости от глубины превращения горючего изменяет численные значения критической температуры. Диффузионный транспорт не оказывает влияния на закономерности воспламенения из-за величины принятого нами массового расхода окислителя, который существенно выше диффузионного.

8. Изменение константы скорости второй стадии незначительно влияет на критическую температуру воспламенения гетерогенной системы из-за принятого нами малого тепловыделения второй стадии, но существенно изменяет максимальную температуру в надкритическом режиме из-за уменьшения суммарного выделения тепла.

Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Пивушков, Александр Викторович, Черноголовка

1. Bowes PC. Selfheating: evaluating and controlling the hazards. II Elsevier science publishers, New York, 1984.

2. Riley J.T., Reasoner J.W., Fatemi S.M., Yates G.S., Pfannerstill P.E., Thrasher K.J. and Williams S.M. Self-heating of coal in barges. II Proc. 9th Ann. Int. Pittsburgh Coal Conf. 1992. C. 1107-1113.

3. Kim A.G., Chaiken R.F. Relative self-heating tendencies of coal, carbonaceous shales and coal refuse. II Proc. 1990 Mining and Reclamation Conference and Exhibition. C. 535-542.

4. Семенов H.H. Цепные реакции. I 12-е изд.: M.: Наука, 1986.

5. Тодес O.M. К теории теплового взрыва. II Журнал физической химии, 1933, Т. 4, № 1,с. 78-80.

6. Конторова Т.А., Тодес О.М. К теории теплового взрыва. II Журнал физической химии. 1933, Т. 4, №1, С. 81-91.

7. Франк-Каменецкий Д.А. Распределение температур в реакционном сосуде и стационарная теория теплового взрыва. II Журнал физической химии, 1939, Т. 13, № 6, С. 738-755.

8. Апин А., Тодес О., Харитон Ю. Термическое разложение и вспышка паров метилнитрата. И Журнал физической химии, 1936, Т. 8, № 6, С. 866-882.

9. Мержанов А.Г., Дубовицкий Ф.И. Квазистационарная теория теплового взрыва самоускоряющихся реакций. И Журнал физической химии, 1960, Т. 34, № ю, С. 2235-2244.

10. Барзыкин В.В., Гонтковская В.Т., Мержанов А.Г., Худяев С.И. К нестационарной теории теплового взрыва. II Журнал прикладной механики и технической физики, 1964, № 3, С. 118-125.

11. Зельдович Я.Б., Яковлев В.И. Тепловое воспламенение закиси азота. // ДАН СССР, 1938, Т. 19, № 9, С. 699.

12. Мержанов А.Г., Боровинская И.П. СВС тугоплавких неорганических соединений. // ДАН СССР, 1972, Т. 204, № 2, С. 366-369.

13. Б.И. Хайкин. Распространение зоны горения в системах, образующих конденсированные продукты реакции. // Горение и взрыв, Материалы IV Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву, 1974.

14. Алдушин А.П., Мержанов А.Г., Хайкин Б.И. Режимы послойного фильтрационного горения пористых металлов. II ДАН СССР, 1974, Т. 215, №3, С. 612-615.

15. Алдушин А.П., Ивлева Т.П., Мержанов А.Г., Хайкин Б.И., Шкадинский К.Г. Распространение фронта горения в пористых металлических образцах при фильтрации окислителя. Процессы горения в хим. технологии и металлургии, Черноголовка, 1975.

16. Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Володин Ю.Е. О механизме горения пористых металлических образцов в азоте. // ДАН СССР, 1972, Т. 206, №4, С. 905-908.

17. Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Володин Ю.Е. Горение пористых образцов в газообразном азоте и синтез нитридов. Отчет ФИХФ АН СССР, Черноголовка, 1971.

18. Мержанов А.Г., Филоненко А.К., Боровинская И.П. Новые явления при горении конденсированных систем. II ДАН СССР, 1973, Т. 208, № 4, С. 892-894.

19. Филоненко А.К. Нестационарные явления при горении гетерогенных систем, образующих тугоплавкие продукты. В сб.: Процессы горения в хим. технологии и металлургии, Черноголовка, 1975, С. 258-273.

20. Буркина P.C., Козлов Е.А. Очаговое тепловое воспламенение в пористой среде в условиях естественной фильтрации газа. II ФГВ, 2001, Т. 37, №2, С. 35-41.

21. Буркина P.C. Зажигание пористого тела потоком излучения. И ФГВ, 1995, Т. 31, №6, С. 5-13.

22. Буркина P.C., Рогачева Е.Г. Особенности теплового взрыва в пористом слое при диффузии газообразного реагента. // ФГВ, 1996, Т. 32, №2, С. 100-107.

23. Сеплярский Б.С. Воспламенение конденсированных систем при фильтрации газа. II ФГВ, 1991, № 1, С. 3-12.

24. Сеплярский Б.С., Гордополова И.С. Исследование зажигания пористых веществ фильтрующимся газом (спутная нестационарная фильтрация). // ФГВ, 1999, Т. 35, № 1, С. 49-59.

25. Сеплярский Б.С. Закономерности зажигания пористых тел в условиях встречной нестационарной фильтрации газа. // ФГВ, 2000, Т. 36, №4, С. 31-40.

26. Шкадинский К.Г., Струнина А.Г., Фирсов А.Н., Демидова J1.K., Костин C.B. Математическое моделирование горения пористых малогазовых составов. // ФГВ, 1991, Т. 27, №5, С. 84-91.

27. Шкадинский К.Г., Озерковская Н.И. Тепловой взрыв в системах пористая среда газообразный реагент - твердый продукт. // ДАН, 2000, Т. 373, №1, С. 62-72.

28. Шкадинский К.Г., Озерковская H.H., Мержанов А.Г. Фильтрационно-химическое взаимодействие в системах "пористый реагент -активный газ твердый продукт". II ДАН, 2001, Т. 378, №6, С. 784789.

29. Шкадинский К.Г., Озерковская Н.И., Мержанов А.Г. Постиндукционные процессы при тепловом взрыве в системах "пористая среда газообразный реагент - твердый продукт". II ДАН, 2001, Т. 381, №6, С. 763-769.

30. Carras J.N., Young B.C. Self-heating of coal and related materials: models, application and test methods. II Prog. Energy Combust. Sci, 1994, V. 20, № 1,P. 1-15.

31. Chen X.D., Stott J.B. Oxidation rates of coals as measured from one-dimensional spontaneous heating. П Combustion and Flame, 1997, V. 109, № 4, P. 578-586.

32. Wang H., Dlugogorski B.Z., Kennedy E.M. Kinetic modeling of low-temperature oxidation of coal. II Combustion and Flame, 2002, V. 131, P. 452-469.

33. Самарский A.A., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. //М.: Наука, 1992.

34. Пивушков А.В., Перегудов Н.И., Самойленко Н.Г. Режимы воспламенения гетерогенных систем. И Химическая физика, 2005, Т. 24, №. 2, С. 82-87.

35. Рафеев В.А., Самойленко Н.Г., Авдонин В.В., Кирпичев Е.П., Штейнберг В.Г., Манелис Г.Б. Воспламенение угля в фильтрационном режиме. П Химическая физика, 2001, Т. 20, № 7, С. 26-29.

36. Пивушков А.В., Перегудов Н.И., Самойленко Н.Г. Влияние характеристик гетерогенной системы на ее воспламенение. П Химическая физика, 2007, Статья принята в печать.