Диссертация (1172857), страница 29

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 29)

Действительно, имеет место очевидноевыражение:C В  100 ν ФВ /( ν В  ν ФВ )  100 ν ФВ /( 4,84β  ν ФВ ) .(8.43)Отсюда, выражая ν ФВ , получаем соотношение (8.39).С учетом (8.37), (8.39), (8.40) соотношение (8.36) может быть переписано ввиде:n4,84βС В  ' CГ0H  4,84  H   H H H0 O  H Ф  nC H COГВ100  С 2 100 - СnN 04,84βС В  0 CГ00H N  βH O  4,84βH В  H Ф .Г2100  С В  100 - С'Г'В222(8.44)2Принимая поочередно C Г = 0 и C В = 0, для пределов гашения при подачефлегматизатора только в окислитель и только в горючее получаем:nnH 0H H O  N H N0  βH O0 22В0'В 4,84βСОГН ( H Ф  H Ф ) /(100  CОГН );0H Г'  4,84β( H В0  H В' )  nC H CO20H Г'  4,84β( H В0  H В' )  nC H CO2СГОГН( H  H ) /(100  C0Ф'ФГОГН).Отсюда с учетом (8.44) имеем:222nH 0nH H O  N H N0  βH O0 22222(8.45)(8.46)230В4,84βС ОГНCГ4,84βС В;В100 - С Г 100  С В100  С ОГН(8.47)ГС ОГНCГ4,84βС В.Г100 - С Г 100  С В100  С ОГН(8.48)Из формул (8.47) и (8.48) следует соотношение между огнетушащимиконцентрациями флегматизатора, подаваемого с потоками соответственногорючего и окислителя:CНаосновеГОГНВ4,84βСОГН.В1  (4,84β  1)(СОГН/ 100)формулы(8.47)можнополучить(8.49)взаимосвязьмеждуконцентрациями флегматизатора, подаваемого одновременно в потоке горючего иокислителя, на пределе гашения диффузионного пламени:ВВ  CОГНСОГНCВС В  C  4,84β /.14,84β ВВВВ 1  (СОГН / 100) (1  (С / 100)  100  СОГН 100  С  Г(8.50)Можно показать, что соотношение (8.49) следует из выражения (8.50) приC В = 0.На рисунке 8.13 представлены результаты модельного расчета длятипичного огнетушащего газа (азота) и органического горючего (пропана) поформуле (8.50).

Здесь же для сравнения представлены результаты расчетов пообобщенному правилу Ле- Шателье [170]. Видны существенные отклонения отправила Ле- Шателье, что говорит о его неприменимости для рассматриваемогослучая.231Рисунок 8.13 – Результаты модельного расчета гасящих концентраций азота,подаваемого одновременно с горючим и воздухом:1 – обобщенное правило Ле- Шателье [170]; 2 – расчет по формуле (8.50)ГВЗначения C ОГНи C ОГНпо отношению к диффузионному пламени метана,согласно экспериментальным данным [206], приняты равными соответственно83,5 и 31,9 % (об.).Применимостьформулы(8.50)продемонстрированасравнениемрезультатов расчета с экспериментальными данными (см.

главу 6 настоящейработы).Таким образом, из проведенного анализа видно, что формула Ле- Шателье(или как ее называют в литературе правило Ле- Шателье) может бытьсправедливой лишь при выполнении ряда предположений, которые справедливыдалеко не всегда. Это свидетельствует об ограниченности этой эмпирическойзакономерности, которую можно использовать лишь для ориентировочныхрасчетов.

Об ограниченности этой формулы свидетельствует и многочисленныепубликации, упомянутые выше. В настоящей работе четко сформулированыусловия, при которых эта формула может давать удовлетворительные данные.232Выводы к разделу 8.2.1) В настоящем разделе аналитически получены формулы, выражающиеправило Ле- Шателье для оценки:- нижних концентрационных пределов распространения пламени смесейгорючих газов и паров;- минимальных флегматизирующих концентраций для смесей негорючихгазов и паров;- минимальных огнетушащих концентраций для смесей огнетушащихвеществ;- предельных концентраций огнетушащих газов при одновременной подачекак в горючее, так и в окислитель (воздух).2)Выявленыусловия,прикоторыхполучившиесяаналитическиесоотношения выполняются с удовлетворительной точностью.

При этом показано,что такие условия в полной мере реализуются далеко не всегда, и это являетсяодной из важнейших причин наблюдаемых в экспериментах отклонений отправила Ле- Шателье.8.3 Численное моделирование распространения плоского одномерногопламени водород – метан – воздухНормальная скорость горения Su является одним из важнейших показателейпожарной опасности горючих газов и паров, характеризующих динамическиехарактеристики сгорания их смесей с воздухом в технологических аппаратах,помещениях или на наружных установках. Снижение величины Su посредствомвведения в горючую смесь химически инертных или ингибирующих добавокявляется одним из распространенных способов уменьшения пожарной опасности233технологических процессов. Изучению влияния добавок различной химическойприроды на нормальную скорость горения посвящено большое количество работ(см.

например [7, 18, 47, 48, 87, 95, 123, 125 – 128, 137 – 139, 145, 207 – 214]).Однако при этом рассматривались в основном смеси, по своему составу близкие кстехиометрическим. В то же время околопредельные смеси исследованынесравненно меньше, хотя данные о зависимости нормальной скорости горения отконцентрации флегматизатора для таких смесей могли бы способствовать болееглубокому пониманию природы предельных явлений при распространениипламени по газовым смесям.В теоретических работах [121, 129] содержится положение, что нормальнаяскорость горения околопредельных газовых смесей (т.е.

смесей, близких посоставукконцентрационнымпределамраспространенияпламени)приблизительно постоянна и определяется не составом смеси (например,наличием тех или иных флегматизаторов), а условиями теплообмена сокружающей средой. Ряд экспериментальных работ подтвердил указаннуюособенность нормальной скорости горения Su околопредельных смесей, хотямежду значениями Su для околопредельных смесей, полученных разнымиавторами, имеется заметный разброс.Из сказанного выше следует, что полуэмпирическое правило постоянстванормальной скорости горения для смесей вблизи концентрационных пределовраспространения пламени выполняется далеко не всегда, и значения Suоколопредельных смесей, полученных разными авторами, могут различатьсядостаточно очень сильно.

Отсюда вытекает необходимость более глубокогоизучения особенностей распространения пламени вблизи концентрационныхпределов распространения пламени. В связи с этим настоящий раздел посвященчисленному моделированию влияния добавок метана и химически инертных газов(азот, диоксид углерода, водяной пар) на нормальную скорость горения богатыхводородовоздушных смесей, в том числе околопредельного состава.2348.3.1 Методика расчета нормальной скорости горенияРасчет нормальной скорости горения проводился с помощью программногокомплекса CHEMICAL WORKBENCH (версия 3.0).

Для расчетного определениянормальной скорости горения решалась система уравнений распространенияплоского ламинарного пламени, состоящая из уравнений Навье – Стокса иуравнений химической кинетики. Уравнения Навье – Стокса описываютдвижение среды, а уравнения химической кинетики описывают химическоевзаимодействие между компонентами.

В одномерном случае эта система имеетследующий вид:t vx0 ;vv 1 pv  0;tx p x(8.51)(8.52)cic j v i  i  Wi ;tx x(8.53)EEv  T  vp   ( h j ) .txx x x x i i i(8.54)В уравнениях (8.51) – (8.54):i = 1…n, n – число компонентов в реакционной среде;v – средняя массовая скорость, м/c;E – массовая плотность энергии, Дж/кг;ρ – плотность, кг/м3;ci – массовая концентрация i – го компонента, 1/кг;235ji – плотность диффузионного потока, кг/м2⋅с;Wi – скорость образования i – го компонента в результате химическихреакций, кг/м3⋅с;hi – массовая энтальпия i – го компонента (Дж/кг).Для нахождения нормальной скорости горения ищется стационарноерешение системы (8.51) – (8.54).

В процессе решения система фактическиразделяется на (n + 3) шагов:1) Одномерное движение газа, содержащего только один компонент(уравнения (8.51) − неразрывности, (8.52) – сохранения импульса);2) Химические реакции между компонентами реакционной среды (n –уравнений);3) Изменение концентраций компонентов за счет диффузии и химическихреакций (уравнение (8.53));4) Сохранение энергии (уравнение (8.54)).Элементарныехимическиепроцессывзаимодействиякомпонентовреакционной среды описываются законом Аррениуса:k  AT l exp(  Ea / RT ) ,(8.55)где k – константа скорости элементарного процесса;A – предэкспоненциальный множитель;Ea – энергия активации;T – температура;R – универсальная газовая постоянная;l – температурный показатель.Коэффициентыдиффузииитеплопроводностирассчитываютсявсоответствии с [215, 216].Термодинамические характеристики системы, такие как значения hi,вычислялись с помощью стандартных полиномов [216].236Длярасчетавлиянияметанананормальнуюскоростьгоренияводородовоздушных смесей использовалась кинетическая схема, основу которойсоставили результаты работы [217], показавшей удовлетворительное согласиерасчетных и экспериментальных данных.

Эта схема была частично дополнена наоснове результатов современных исследований и представлена в таблице 8.1.Константы скоростей были заимствованы из работ [217 – 222]. Константыскоростей реакций 32, 33 и 34 в таблице 8.1 были определены с учетом данныхработы [223], в которой найдено, что между константами скоростей реакций 32,33 и 34 в таблице 8.1 имеют место соотношения: k32 = k26, k33 = 2,5k26, k34 = 6k26.Таблица 8.1 – Кинетическая схема горения смесей водород – метан – воздух№РеакцияЭнергияактивацииEa,ПредэкспоненциальныйТемпературныйЛитературныймножительпоказательисточникLog10A,кДж/мольсм3/с1CH4+OH=CH3+H2O10,32,1–17,57[219]2CH4+H=CH3+H236,73–19,44[219]3CH4+O=CH3+OH32,02,1–16,7[219]4CH3+H+M=CH4+M0–3–20,2[218]5CH3+O=H2CO+H00–9,94[219]CH3+O2=H2CO+OH37,50–12,26[220]7H2CO+OH=HCO+H2O5,00–10,3[219]8H2CO+O=HCO+OH14,70–10,24[219]9H2CO+H=HCO+H216,80–10,38[219]10HCO+O2=CO+HO200–11,3[219]11HCO+OH=CO+H2O00–10[219]12HCO+O=CO+OH00–10,3[219]13HCO+M=CO+H+M70,60–9,38[219]14CO+OH=CO2+H-3,11,5–17,13[219]15CO+O+M=CO2+M-19,10–33,84[219]237Продолжение таблицы 8.116HO2+O=OH+O21,90–10,57[221]17HO2+OH=O2+H2O-2,10–10,32[220]18HO2+H=OH+OH4,20–9,6[219]19HO2+H=H2+O25,90–10,15[220]20H+O2+M=HO2+M0–1–28,75[221]21H+O2=OH+O70,60–9,8[220]22O+H2=OH+H29,12,67–19,08[201]23OH+H2=H2O+H13,91,6–15,78[219]24OH+OH=H2O+O01,14–14,6[219]25O+H+M=OH+M0–1–28,89[222]26H+H+N2=H2+N20–1–29,75[219]27O+O+M=O2+M0–1–30,56[219]28HO2+H2=H2O+OH100,00–12,7[218]29HO2+CO=CO2+OH99,10–9,6[219]30H+HCO=CO+H200–9,48[219]31CH3+OH=H2CO+H200–11,2[218]32H+H+O2=H2+O20–1–29,75[219*]33H+H+H2=H2+H20–1–29,36[219*]34H+H+H2O=H2+H2O0–1–28,97[219*]Примечание*: константы скоростей определены с учетом данных работы [223].Для проверки работы программы были проведены расчеты зависимостинормальной скорости горения Su водородовоздушных и метановоздушных смесейот коэффициента избытка горючего φ, определяемого по формуле:  (C / Cвозд) /(C / Cвозд)стех ,гг(8.56)где СГ, CВОЗД – концентрации горючего и воздуха в смеси; индекс «стех»означает, что отношение СГ/CВОЗД рассчитывается для смеси стехиометрическогосостава.238Результаты расчетов представлены на рисунках 8.14 и 8.15 вместе сэкспериментальными данными работ [145, 211, 224].

В целом наблюдаетсяудовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных данных, чтосвидетельствует об адекватности используемой численной модели.Рисунок 8.14 – Зависимость нормальной скорости горения Su метана в воздухе откоэффициента избытка горючего φ:1 – расчет настоящей работы; 2 – экспериментальные данные [145] (□) и [211] (●)Рисунок 8.15 – Зависимость нормальной скорости горения Su водорода в воздухеот коэффициента избытка горючего φ:1 – расчет настоящей работы; 2 – экспериментальные данные [224]239Расчеты нормальной скорости горения Su проводили для атмосферногодавления и комнатной температуры (за исключением смесей с водяным паром,для которых начальная температура горючего состава равнялась 149 °C всоответствии с условиями эксперимента [224], из которого взяты данные поконцентрационным пределам распространения пламени).8.3.2 Результаты расчетов и их обсуждениеБыло изучено влияние добавок метана на нормальную скорость горения Suводородовоздушных смесей различного состава, отличающихся коэффициентомизбыткагорючегоφ.РезультатырасчетногоопределениявеличиныSuпредставлены на рисунке 8.16, а на рисунке 8.17 – зависимость безразмерноймаксимальной во фронте пламени адиабатической температуры горения Tmax/Tmax0(для удобства анализа данные приведены в безразмерном виде, величины Su0 иTmax0 для водородовоздушных смесей без добавок даны на рисунках 8.15 и 8.18для различных значений φ).Здесь и далее Su0 и Tmax0 – значения нормальной скорости горения имаксимальной во фронте пламени адиабатической температуры горения дляводородовоздушных и метановоздушных смесей без добавок.Из рисунка 8.16 видно, что для всех изученных водородовоздушных смесей(за исключением очень бедной смеси с φ = 0,4) наблюдается монотонноеснижение нормальной скорости горения с ростом содержания добавки метананесмотря на то, что для всех рассмотренных смесей имеет место максимумадиабатической температуры пламени (рисунок 8.17).

Характеристики

Список файлов диссертации