Содержание к диссертации
ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 9
Глава П. РЕЖИМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННОЙ
СИСТЕМЫ ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ
ГАЗООБРАЗНОГО ОКИСЛИТЕЛЯ 29
2.1. Физическая постановка задачи 29
2.2. Математическая постановка задачи 30
2.3. Метод решения 35
2.4. Результаты расчетов и обсуждение 38
2.4.1. Низкотемпературный режим 40
2.4.2. Высокотемпературный режим 43
2.4.3. Критическое условие и период индукции 45
2,5. Краткие выводы главы II 58
ГЛАВА III. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕТЕРОГЕННОЙ
СИСТЕМЫ НА ЕЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ 59
3.1. Постановка задачи 59
3.2. Влияние переменной пористости 59
3.3. Влияние расхода на критическую температуру 66
3.4. Влияние диффузии 68
3.5. Влияние длины образца ,...69
3.6. Влияние кинетических характеристик 74
3.7. Влияние коэффициента теплообмена 81
3.8, Краткие выводы главы Ш 84
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 85
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 87
з ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
D - коэффициент диффузии, см /с Р0 - давление, Па т - пористость, (Vg/V) с - удельная теплоемкость, кал/г град р- плотность, г/см
U- линейная скорость фильтрации газа, см/с X - эффективный коэффициент теплопроводности, А,-Х[(1-т)+^т, кал/см с град
а- коэффициент теплообмена, кал/см с град
S-поверхность теплоотдачи, см2
V- объем реактора, см
L - длина реактора, см
Q - тепловой эффект химической реакции, кал/г
к - предэкспонента, см' /с г
Е - энергия активации, кал/моль
\i- молекулярный вес, г/моль
v- стехиометрический коэффициент,
R -универсальная газовая постоянная, кал/моль град
Г- температура, К
х - текущая координата, см
t - время, с
а - доля вещества в газе,
^ - глубина превращения,
Ре - число Пекле,
Sf- доля конденсированного горючего превратившегося в газ.
ИНДЕКСЫ
Верхний индекс:
О - начальное значение, Нижний индекс:
О - константа,
/- конденсированное горючее,
g - газовая фаза,
fin - конечный продукт,
р - промежуточный продукт,
ох - окислитель,
in - инертная компонента,
env - окружающая среда.
Введение к работе
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.
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 [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.
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 коиденсированного 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. 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 для математического моделирования экзотермических процессов происходящих в гетерогенной системе.
Проведено исследование возможных режимов воспламенения при различных значениях основных внешних параметров гетерогенной системы.
Проведены исследования закономерностей воспламенения гетерогенной системы при варьировании температуры и расхода окислителя, размера системы, кинетических характеристик химической реакции и др.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Междисциплинарной конференции "НБИТТ-2 і", 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. СМ. 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.