Содержание к диссертации
Введение
СГОРАНИЕ ГАЗА В ПОСТОЯННОМ ОБЪЕМЕ ПРИ НАЛИЧИИ ИСТЕЧЕНИЯ. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА 9
1.1. Особенности дефлаграционного сгорания гомогенных газовых смесей в незамкнутых объемах 9
1.2. Анализ моделей сгорания газа в негерметичном сосуде 17
1.3. Влияние давления и температуры свежей смеси на нормальную скорость пламени 30
1.4. Обоснование выбранных направлений работы. 44
2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ НОРМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ РАСПРОСТ
РАНЕНИЯ ШІАМЕНИ ОТ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ 47
2.1. Расчет на ЭНЛ равновесного состояния продуктов сгорания C-H-0-N - содержащих горючих в воздухе. 47
2.2. Методика определения нормальной скорости пламени 59
2.2.1. Экспериментальная установка 59
2.2.2. Выбор и применимость расчетного метода. 62
2.2.3. Оптимизация расчетной зависимости изменения давления в бомбе постоянного объема по экспериментальной записи давления 64
2.3. Барическая и температурная зависимость нормальной скорости горения стехиометрических смесей метана, пропана, гексана, гептана, ацетона, изо-
пропилового спирта и бензола с воздухом 68
3. ЗАКОНОМЕРНОСТИ СГОРАНИЯ ГАЗА В НЕГЕРМЕТР1ЧНЫХ СОСУДАХ 86
3.1. Теоретическая модель процесса 86
3.2. Динамика сгорания газа в сосуде при его разгер метизации в атмосферу 97
3.3. Динамика сгорания газа в сосуде при наличии истечения по газоводу в приемную емкость. 103
3.3.1. Лабораторные исследования 106
3.3.2. Полигонные исследования (объем сосуда 2 м3) 125
3.3.3. Исследования на крупномасштабном оборудовании (объем сосуда 10 м3). 133
3.4. О влиянии установленных внутри сосуда турбулизаторов на динамику развития взрыва. 139
ВЫВОДЫ 160
Литература 164
- Особенности дефлаграционного сгорания гомогенных газовых смесей в незамкнутых объемах
- Расчет на ЭНЛ равновесного состояния продуктов сгорания C-H-0-N - содержащих горючих в воздухе.
- Теоретическая модель процесса
Введение к работе
динамические характеристики сгорания гомогенной газовой смеси в негерметичном объеме представляют интерес прежде всего с точки зрения противовзрывной защиты технологического оборудования и производственных помещений. Взрывы газовоздушных смесей наносят большой материальный ущерб народному хозяйству, а в особо опасных случаях приводят к человеческим жертвам. Совершенствование технологии и профилактические мероприятия не могут еще полностью исключить условия, при которых возможно образование горючих смесей и их воспламенение.
Наибольший удельный вес (около 40$) приходится на взрывы смесей околостехиометрических концентраций, инициированные в замкнутых технологических аппаратах [I] . Большинство взрывов представляет собой дефлаграционное сгорание газа и лишь относительно небольшое число из них переходит в детонацию [2] .
Основная цель настоящей работы - развитие представлений о процессе дефлаграционного сгорания газа в негерметичном сосуде при различных условиях горения, разгерметизации и истечения для создания основ единой методики определения безопасной площади разгерметизации технологического оборудования и помещений.
В большинстве случаев развитие взрыва начинается со стадии горения в замкнутом сосуде. Моделирование процесса сгорания газа в бомбе постоянного объема представляется достаточно сложным. Благодаря целому ряду работ [3-37] вопрос о сгорании газа в замкнутом сосуде можно считать в основном изученным. Вместе с тем представления о физике процесса сгорания газов в негерметичных сосудах недостаточно развиты.
Исследованиям сгорания газа в незамкнутых объемах уделялось внимание еще в работах Дэви (1816 г.) и Фарадея (1844), вызванных авариями на угольных рудниках [38,39] . Работы носили и носят по настоящее время экспериментальный характер [40-47J Однако, натурные эксперименты, особенно на крупномасштабном оборудовании, очень дороги и трудоемки. Теоретические исследования и проведение расчетов по динамике развития взрыва в постоянном объеме при наличии истечения, выполненные с начала 60-х годов [2,39,^8-63] , позволили глубже понять физическую сущность процесса, хотя многие вопросы остались нерешенными. Сказанное подчеркивает актуальность развития теоретических моделей динамики сгорания газа в негерметичном сосуде. Развитая в настоящее работе теоретическая модель [б^] справедлива до значений видимой скорости распространения пламени ~k0 ~ , когда с достаточной точностью можно считать, что давление равномерно во всем сосуде и изменяется только во времени
Актуальной задачей является исследование вопроса о динамических характеристиках развития взрыва при истечении свежей смеси и высокотемпературных продуктов сгорания после разгерметизации сосуда не только непосредственно в атмосферу, но и по газоводу в приемный сосуд* Системы взрывозащиты технологического оборудования методом разгерметизации, включающие сбросной трубопровод и приемную емкость, позволяют избежать выбросов в производственное помещение, а следовательно, исключить вторичные покеры и взрывы, травмирование и отравление обслуживающего персонала. Поэтому в настоящее время правила Госгортехнадзора СССР не рекомендуют устанавливать предохранительные мембраны без сбросных трубопроводов.
В диссертации проведены теоретические и экспериментальные исследования закономерностей динамики сгорания газа в негерметичных сосудах [64—7IJ , в которых использоввлись сосуды объемом от 0,0215 м3 до*10 м3.
Обнаружен эффект интенсификации взрыва за счет турбулизации смеси в сосуде кратковременным обратным выбросом продуктов химической реакции из трубопровода. Показано, что подача хладоагента в истекающую по трубопроводу смесь горючих газов и высокотемпературных продуктов сгорания позволяет снизить Мбксимальное давление взрыва до уровня, характерного для случая разгерметизации сосуда непосредственно в атмосферу. Увеличение давления разгерметизации сосуда также приводит к исчезновению эффекта интенсификации взрыва.
Определение динамических характеристик взрыва газовой смеси как в замкнутых, так и в незамкнутых сосудах невозможно без данных об изменении нормальной скорости распространения пламени в процессе развития взрыва. Нормальная скорость является фундаментальным параметром процесса горения и может быть определена как собственное значение системы уравнений, описывающей распространение одномерного пламени [18,72-76] . Однако, определение нормальной скорости путем решения такой системы уравнений для подавляющего большинства углеводородо-воздушных смесей в настоящее время невозможно из-за неполноты сведений о механизме и кинетике элементарных реакций в пламенах. Поэтому экспериментальные методы остаются главным источником получения значений нормальных скоростей, необходимых, в частности, для проверки справедливости теорий распространения пламени. Актуальность доследований по определению значений нормальной скорости в широком диапазоне давлений и температур вызвана потребностями как фундаментальных, так и прикладных задач. Так, нормальная скорость является важным параметром в моделях турбулентного горения [77-80] , необходима при разработке критериев стабилизации пламени телами плохообтекаемой формы и поисках перспективных топлив, исследовании процессов горения в двигателях внутреннего сгорания и камерах сгорания воздушно-реактивных двигателей.
В настоящей работе предложена методика определения нормальной скорости распространения пламени, основы которых изложены в работе [81] Данная методика включена в проект стандарта СЭВ "Охрана труда, Пожароопасность химических органических продуктов и нефтепродуктов. Показатели и метода определения". Необходимые для проведения исследований по определению нормальных скоростей значения термодинамических параметров вычислялись на ЭВМ по программе,составленной на основании алгоритма, изложенного в [82] . В диссертационной работе определены нормальные скорости распространения пламени для стехиометрических смесей метана, пропана, ацетона, изопропилового спирта, гексана, гептана и бензола с воздухом в диапазоне давлений 0,04-0,7 МПа и температур 296-500 К,
Реальные взрывы почти всегда происходят в аппаратах несферической формы со встроенными элементами. Поэтому недостаточно уметь рассчитывать давление взрыва с использованием идеализированной ламинарной модели распространения сферического пламени. Для практики необходимо создание единой методики определения безопасной площади разгерметизации для различных групп аппаратов, отличающихся по объему, форме, заполнению встроенными подвижными и неподвижными элементами, допустимому давлению взрыва, обращающимся в них горючим смесям и др. Целесообразно разработать основы универсальной методики, в частности, на базе использования в качестве одного из определяющих понятий фактора турбулизации, учитывающего увеличение скорости выгорания смеси относительно случая сферического распространения пламени. Для решения данной задачи наиболее правильным является путь оптимизации теоретических зависимостей изменения давления взрыва во времени по экспериментальным записям давления, позволяющий определять значение фактора турбулизации для конкретных условий, В результате это позволило бы категорировать технологические аппараты по характерным значениям фактора турбу- лизании.
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований даны рекомендации для определения сбросной площади систем противовзрывной защиты методом разгерметизации: номограмма и критериальные соотношения [83] , полученные из анализа безразмерных уравнений динамики сгорания газа в негерметичном сосуде. Обсуждается влияние условий горения и истечения на выбор значений фактора турбулизации и коэффициента расхода при расчете площади сбросного сечения.
Данная работа являлась составной частью исследований, направленных на решение задания 12 научно-технической проблемы 0.74.08 "Разработать и внедрить новые эффективные методы и средства, обеспечивающие пожаровзрывобезопасность объектов народного хозяйства и спасание людей при пожаре", утвержденной Постановлением Президиума ВЦСПС и ГКСМ СССР .: по науке и технике Ш 14/529/269 от 22.12.80.
На основании изложенных в диссертации результатов была разработана, создана и внедрена система противовзрывной защиты "РОСА" сушилки фенозана-23 на Ивано-Франковском заводе тонкого органического синтеза.От использования в народном хозяйстве созданной с применением трех изобретений [70,71,84] системы "РОСА" ожидается экономический эффект в размере 175,3 тыс.руб.
Основное содержание диссертационной работы изложено в пяти статьях и двух описаниях к авторским свидетельствам на изобретения.
Особенности дефлаграционного сгорания гомогенных газовых смесей в незамкнутых объемах
Изменение давления взрыва в незамкнутом пространстве определяется процессами горения и истечения. Сгорание свежей смеси вызывает рост давления Истечение свежей смеси и/или продуктов сгорания приводит к снижению давления взрыва. Ниже приводится упрощенное рассмотрение процесса взрыва, которое в настоящее время наиболее широко используется для определения требуемой площади разгерметизации [39,53,54,56] .
Предположим, что гомогенная смесь идеальных газов зажигается в центре жесткой сферы и гладкое сферическое пламя распространяется :: от источника зажигания к поверхности сосуда. Теплопотерями к стенкам сосуда и влиянием естественной конвекции пренебрегаем. Далее предполагаем, что давление равномерно в сосуде и изменяется только во времени, 8 сжатие и расширение газов происходят адиабатически. Считаем, что сбросное отверстие открывается мгновенно и полностью, а поток истекающих газов не нарушает распространение сферического пламени.
class2 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ НОРМАЛЬНОЙ СКОРОСТИ РАСПРОСТ
РАНЕНИЯ ШІАМЕНИ ОТ ДАВЛЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРЫ class2
Расчет на ЭНЛ равновесного состояния продуктов сгорания C-H-0-N - содержащих горючих в воздухе
Использование законов термодинамики позволяет вычислять многие необходимые для исследования процессов горения параметры. Знание температуры и состава продуктов сгорания требуется, например, для решения таких задач, как определение нормальной скорости распространения пламени и расчет Махе-эффекта. При разработке систем противовзрывной защиты технологического оборудования важнейшим параметром является максимальное давление взрыва горючей смеси в замкнутом объеме.
В литературе описываются различные методы решения уравнений термодинамики при определении характеристик равновесного состояния продуктов сгорания. Недостатки одних подходов [3,117] заключаются в том, что ограниченное количество учитываемых продуктов сгорания не позволяет проводить расчеты для богатых смесей. Другие методики [178, Г?9] , включающие в расчетную схему 18 продуктов сгорания, допускают проведение вычислений в области любых концентраций горючего, но разработаны они только для кислородно-азотных смесей, а значения выбранной совокупности констант равновесия не могут быть непосредственно определены по более современным отечественным источникам термодинамических данных [180] .
Целью настоящего раздела диссертации является создание алгоритма расчета равновесного состояния продуктов сгорания C-H-0-N содержащих горючих в воздухе в широком диапазоне начальных температур, давлений и концентраций на основании обобщения и систематизации известных термодинамических и математических методов с использованием более точных данных по термодинамическим свойствам индивидуальных веществ, приведенных в работе [180] .
Теоретическая модель процесса
Рассматривается распространение пламени в модельном сферическом сосуде от центрально расположенного точечного источника зажигания. С момента воспламенения X = О до момента разгерметизации "t = "t i происходит горение гомогенной газовой смеси в замкнутом объеме. Для этого периода применимы уравнения (2.51) - (2.53). В момент времени "t = "t, при давлении р = pv осуществляется мгновенная разгерметизация сосуда и начинается истечение газообразных продуктов через сбросное отверстие в среду с постоянным давлением Da . Предполагается, что давление равномерно по сосуду и изменяется только во времени, сжатия и расширения газа происходят адиабатически, а теплопотерями в стенки сосуда можно пренебречь. В общем случае до некоторого момента времени "t = "t2 истекает свежая смесь холодные газы), а затем начинается истечение продуктов сгорания (горячих газов) или смеси их с холодными газами. Поскольку в большинстве случаев отношение площади сбросного отверстия к площади внутренней поверхности сосуда, в котором происходит развитие взрыва, достаточно мало, а сгорание смеси в момент разгерметизации происходит вблизи стенок, вследствие большой видимой скорости распространения пламени на начальной стадии развития взрыва, то без ущерба для решения задачи в целом незначительным в таких случаях периодом истечения холодных газов A"t = "ta - t можно пренебречь. После выгорания свежей смеси в сосуде в момент "te начинается истечение продуктов сгорания.
