Диссертация (1172857), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Тем самым для ряда смесейимеет место снижение нормальной скорости горения при одновременном ростеадиабатической температуры пламени.240Рисунок 8.16 – Зависимость безразмерной нормальной скорости горенияводородовоздушных смесей Su/ Su0 от концентрации добавок метана [CH4] длязначений коэффициента избытка горючего φ = 0,4 (1), 0,6 (2), 0,8 (3), 1,0 (4), 1,4(5), 3,0 (6)Рисунок 8.17 – Зависимость безразмерной максимальной во фронте пламениадиабатической температуры горения водородовоздушных смесей Tmax/Tmax0 отконцентрации добавок метана [CH4] для значений коэффициента избыткагорючего φ = 0,4 (1), 0,6 (2), 0,8 (3), 1,0 (4), 1,4 (5), 3,0 (6).241Рисунок 8.18 – Зависимость максимальной во фронте пламени адиабатическойтемпературы горения Tmax0 для водородовоздушных (1) и метановоздушных (2)смесей от коэффициента избытка горючего φ.Как следствие этого обстоятельства максимальные по фронту пламенискорости реакции и тепловыделения реализуются при температурах, существенноменьших максимальной температуры горения (см.
[223] и приведенные в этойработе ссылки).На рисунках 8.19 – 8.22 представлены результаты расчета нормальнойскорости горения богатых смесей водород – воздух − добавка (химическиинертная – рисунки 8.19 – 8.21 или обладающая ингибирующим действием –рисунок 8.22) околопредельного состава. Выбор для исследования богатых смесейобусловлен тем обстоятельством, что для бедных водородовоздушных смесей сконцентрацией H2 менее 9 % (об.) наблюдается так называемый пузырьковыйрежим распространения пламени [122, 123, 127], при котором экспериментальноеопределениевеличиныэкспериментальныхSuданных)(и,следовательно,затруднительно.сравнениеСоставырасчетныхуказанныхивышеоколопредельных смесей взяты из [20] (для азота и диоксида углерода), [224] (дляводяного пара) и [199] (для метана).242Рисунок 8.19 – Зависимость нормальной скорости горения Su богатыхоколопредельных водородовоздушных смесей (1) и адиабатической температурыгорения Tmax (2) от содержания азота [N2].Рисунок 8.20 – Зависимость нормальной скорости горения Su богатыхоколопредельных водородовоздушных смесей (1) и адиабатической температурыгорения Tmax (2) от содержания диоксида углерода [CO2].243Рисунок 8.21 – Зависимость нормальной скорости горения Su богатыхоколопредельных водородовоздушных смесей (1) и адиабатической температурыгорения Tmax (2) от содержания водяного пара [H2O](температура исходной смеси 149◦C).Рисунок 8.22 – Зависимость нормальной скорости горения Su богатыхоколопредельных водородовоздушных смесей (1) и адиабатической температурыгорения Tmax (2) от содержания метана [CH4].244Из данных, представленных на рисунках 8.19 – 8.21, следует, что дляхимически инертных разбавителей (N2, CO2, H2O) адиабатическая температурагорения околопредельных смесей H2 – воздух – флегматизатор остаетсяприблизительно постоянной с ростом содержания флегматизатора в смеси исоставляет 1200 – 1400 К.
Небольшие изменения Tmax с концентрациями инертовсвязаны, вероятно, с погрешностями определения составов околопредельныхсмесей, использованных при расчете Tmax. Значения Su для верхнепредельныхводородовоздушных смесей составило около 70 см/с (за исключением смесей сводяным паром, для которых предельное значение Su при [H2O] = 0 % (об.)равнялось 150 см/с, что, вероятно, вызвано повышенной начальной температуройисходной смеси − 149 °C вместо 20 °C). При этом величины Su падаютпрактически монотонно с ростом содержания флегматизатора в смеси вплоть доточки флегматизации.Иная картина наблюдается в случае околопредельных смесей водород –воздух – метан (рисунок 8.22). Во- первых, наблюдается заметный росттемпературы горения околопредельных смесей (с 1200 до 2100 К), что, вообщеговоря, характерно для ингибированных околопредельных пламен [197, 225].
Вовторых, уменьшение нормальной скорости горения с увеличением концентрацииметана весьма значительно (с 70 до 15 см/с) и происходит при росте температурыгорения.Таким образом, из проделанного численного анализа можно сделать выводо том, что эмпирическое правило приблизительного постоянства нормальнойскорости горения для околопредельных смесей различного состава выполняетсядалеко не всегда. Его нарушения особенно существенны в случаях, когда один изкомпонентов околопредельной смеси обладает ингибирующим действием.Указанные нарушения были обнаружены экспериментально в настоящей работе(главы3, 4). Тем самым указанное эмпирическое правило не имеетфундаментальной природы.Представляет интерес также падение нормальной скорости горения приодновременном росте (иногда очень существенном, как в случае смесей H2 –245воздух – CH4) максимальной температуры пламени.
Это подтверждает тот факт,чтоскоростьпроисходящимираспространенияпритемпературах,пламениопределяетсясущественноменьшихпроцессами,максимальнойтемпературы пламени [197], в отличие от представлений, развитых вклассической тепловой теории горения [129].Выводы к разделу 8.3.1)Путемчисленногомоделированияраспространенияплоскоголаминарного пламени изучено влияние различных добавок на нормальнуюскорость горения Su водорода в воздухе.2) Показано, что добавки метана к водородовоздушным смесям различногосостава, как правило, приводят к монотонному снижению величины Su (заисключением очень бедных смесей с коэффициентом избытка горючего φ = 0.4,для которых зависимость Su от концентрации добавки имеет максимум).3) Найдено, что в случае химически инертных добавок (N2, CO2, H2O)нормальная скорость горения богатых околопредельных водородовоздушныхсмесей, как правило, монотонно падает с ростом концентрации добавки. При этомадиабатическая температура горения околопредельных смесей изменяетсянезначительно.
В случае, когда добавкой является метан, нормальная скоростьгорения падает с одновременным ростом адиабатической температуры пламени с1200 до 2100 К.4) Результаты расчета говорят об отклонении от известного эмпирическогоправилаприблизительногооколопредельных смесей.постоянстванормальнойскоростигорения2468.4 Численное моделирование самовоспламенения водородовоздушныхсмесей в присутствии флегматизаторовОсобенности самовоспламенения водородсодержащих смесей до сих пор неизучены до конца. Помимо теоретического интереса к этой проблеме, ее решениеимеет практический интерес для обеспечения пожаровзрывобезопасноститехнологических процессов, в которых обращается водород [226 – 228].Хотя самовоспламенение водородосодержащих смесей изучалось во многихработах (см., например, [147, 187, 218, 229 - 241]), далеко не все закономерностиэтого процесса изучены достаточно для широкого практического использования.Так, в ставших классическими работах [187, 229] определена областьсамовоспламенениястехиометрическихводород-кислородныхсмесейкакфункция давления и температуры.
В справочнике [147], получившем широкоеприменение,указано,чтоминимальнаяпосоставутемпературасамовоспламенения водородовоздушной смеси составляет 510 °С. В работе [230]выполнено экспериментальное определение температуры самовоспламенения Tсвсводородовоздушных смесей в зависимости от содержания H2 в воздухе вдиапазоне от 5 до 40 % (об.). Оказалось, что величина Tсвс изменяетсяотносительно слабо при варьировании [H2] в указанном диапазоне - от 500 до 6500С. В работах [231, 232] экспериментально изучено влияние состава газовой смесии температуры на воспламенение составов водород- воздух- разбавитель (диоксидуглерода, водяной пар) при подаче в эти смеси нагретой до температуры 750 3000 К струи H2 + Ar.
Минимальная температура этой струи, приводящей квоспламенению,оказаласьблизкакминимальнойтемпературесамовоспламенения водородовоздушных смесей. Добавки H2O и CO2 повышаютэту температуру. Результаты исследований использованы для обеспеченияводородной безопасности атомных станций. В работе [233] экспериментально итеоретически исследовано воспламенение струи водорода с добавками метана и247азота при ее взаимодействии со струей нагретого воздуха. Показано, что приотносительно малых содержаниях добавок CH4 и N2 (до 20 % (об.) в смеси с H2)метан существенно более эффективен в части повышения температурывоспламенения, чем азот.Ряд работ посвящен изучению кинетических аспектов самовоспламененияводородосодержащих смесей.
В работах [234 - 237] численными методамиисследована кинетика самовоспламенения водород- кислородных смесей вширокой области давлений и температур. Особо следует отметить монографию[237], где проведена систематизация исследований кинетических механизмовокисления водорода при различных температурах и давлениях с выявлениемотносительной роли различных элементарных стадий. Важным результатом этойработы является выявление двух температурных режимов, различающихсякинетическими механизмами протекания и характером зависимости периодаиндукции самовоспламенения водородкислородных смесей от температуры.Границей этих режимов является температура около 900 К.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
