Влияние температуры на пределы горения и детонации пропан-бутана с воздухом. Экспериментальные данные

УДК 662.612

В. И. Алексеев1, А. В. Максиммчев2, С. С. Привезенцев1, Е. В. Черненко1

1НИЦ «Курчатовский институт» 2 Московский физико-технический институт

Влияние температуры на пределы горения и детонации пропан-бутана с воздухом. Экспериментальные данные

При различных режимах горения товливпо-воздушпых смесей давления и импульсы существенно различны. Поэтому для прогнозирования реальной картины развития аварий на топливно-насыщенных объектах необходимо знать максимально точные границы существования каждого из режимов. В данной работе рассмотрено горение смесей наиболее распространенного альтернативного моторного топлива (АМТ) - сжиженного углеводородного газа (СУГ) с воздухом. Представлены результаты экспериментов в детонационной трубе с препятствиями, моделирующими загроможденность пространства. Показано влияние температуры на видимую скорость фронта пламени и концентрационные пределы различных режимов распространения горения. Результаты, представленные в настоящей работе, могут быть использованы при разработке и верификации компьютерных кодов для анализа возможных аварийных ситуаций.

Ключевые слова: горение, детонация, топливно-воздушные смеси, концентрационные пределы, скорость распространения горения, загроможденное пространство.

V.I. Alekseev1, А. V. Maximychev2, S. S. Privezentsev1, Е. V. Chernenko1

1

2

Influence of temperature on combustion and detonation limits for propane-butane-air mixtures. Experimental

results

The pressures and pulses are significantly different in different flame propagation regimes of the hydrocarbon-air mixtures. Therefore, to predict the real picture of accident development in fuel concentrated objects, it is necessary to know the boundaries of the existence of each regime as accurately as possible. The combustion of mixtures of the most common alternative motor fuel (AMF), the liquefied petroleum gas (LPG) with air, is considered in this paper. The results of experiments in a detonation tube with obstacles, which model the obstructed space, are presented too. The temperature influence on the burning velocity and concentration limits of various flame propagation regimes is demonstrated. The results presented in this paper can be used in the development and verification of computer codes to analyze possible accident situations.

Key words: combustion, detonation, hydrocarbon-air mixtures, concentration limits, burning velocity, obstructed space.

1. Введение

В промышленном производстве возможны как технологические, так и аварийные выбросы горючих газов. Технологические выбросы не представляют большой опасности, так

@ Алексеев В. И., Максимычев А. В., Приверзенцев С. С., Черненко Е. В., 2019

(с) Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2019

как процессы горения происходят при регламентированных условиях. В случае аварийного выброса опасность представляют неконтролируемое воспламенение и горение образовавшейся топливно-воздушной смеси. Горение смесей может протекать в следующих режимах: медленное горение, быстрое турбулентное горение и детонация.

С точки зрения обеспечения безопасности наибольший интерес вызывают смеси на основе наиболее распространенных AMT [1 3] пропан-бутана (СУГ) и метана (природный газ). Смеси углеводородных горючих газов с воздухом обладают относительно низкой детонационной чувствительностью, вследствие чего для их исследований необходимы крупномасштабные экспериментальные установки. Этот факт объясняет недостаток информации но детонационным свойствам смесей углеводородных тонлив с воздухом в литературе.

В ряде выполненных разными авторами работ приведены результаты исследований но влиянию геометрических параметров на быстрое горение и переход горения в детонацию (ПГД) [4 10]. Большое количество исследований освещает процессы горения метановоздуш-ных смесей [4 6, 11 18]. В работах [13 14] исследовалось влияние начальной температуры и давления. Было показано, что область быстрого горения расширяется с ростом давления. Влияние давления более очевидно для богатых метано-воздушных смесей. Для бедных смесей это влияние мало, особенно для высоких температур. Температура также оказывает положительное влияние на ускорение пламени. Предел ПГД находится на начальном давлении выше 1.4 бар при Т = 293 К и выше 1.75 бар при Т = 393 К. Аналогичные экспериментальные данные получены в работе [18].

2. Экспериментальное исследование

Эксперименты проводились на установке «Нагреваемая детонационная труба» (далее Установка). Установка предназначена для исследования процессов горения газовых смесей при начальном давлении до трех атм и начальной температуре до 150 °С. Общий вид Установки показан на рис. 1. Схема газораспределительной системы экспериментальной установки приведена на рис. 2. Установка включает в себя следующие основные элементы: рабочий объем; смесительный объем; система нагрева детонационной трубы; система поджига TBC и система диагностики динамических параметров горения и взрыва.

Рис. 1. Общий вид установки «Нагреваемая детонационная труба»

Рабочий объем представляет собой нагреваемую детонационную трубу из нержавеющей стали толщиной стенки 6 мм, внутренним диаметром 121 мм, длиной 8 м, внутренней емкостью 92 л. Торцы рабочих) объема герметично закрыты фланцами. В рабочем объеме с шагом, равным диаметру трубы, по всей длине установлены препятствия, моделирую-

щие загроможденноеть пространства. Препятствия представляют собой диски с наружным диаметром D = 121 мм и внутренним просветом d = 101 мм. Степень загроможденности, определяемая как отношение площади перекрытия к общей площади сечения трубы, но которой распространяется волна горения, BR (blockage ratio) равна 0,3.

Рис. 2. Схема газораспределительной системы установки «Нагреваемая детонационная труба»

Приготовление исследуемой смеси проводится в смесительном объеме емкостью 35,7 л методом парциальных давлений последовательным смешением углеводорода, кислорода и азота. Контроль давления компонентов смеси производится образцовыми манометрами и вакуумметрами, класс точности которых 0,15.

Нагревательная система трубы рассчитана на поддержание температуры в рабочем объеме с погрешностью 2 °С. Инициирование горения смесей осуществлялось с помощью электрической искры. Электроды были выполнены из вольфрамовой проволоки диаметром 2,5 мм, искровой промежуток составлял 0,5 мм.

Система диагностики состоит из 16 коллимированных германиевых фотодиодов ФД-9 и ФД-10 и одного тензорезиетивного датчика давления Д2.5. Датчик давления располагался на расстоянии 2,225 м от начала трубы. Регистрации данных происходит при помощи двух аналого-цифровых преобразователей I. 783М, установленных в персональном компьютере.

Перед проведением экспериментов определялся состав СУ Г. Давление в рабочем баллоне измерялось при двух температурах, после чего проводился расчет содержания каждой фракции в жидкой и паровой фазах. Результаты приведены в табл. 1.

В настоящей работе проведены 2 серии экспериментов при атмосферном давлении и при температурах 20 °С и 110 °С на смесях метана с воздухом и 3 серии экспериментов при температурах 20 °С, 70 °С и 110 °С на смесях СУГ с воздухом.

Эксперименты с метаном проводились на смесях с содержанием метана от 6,0% до 14,5%, рабочие смеси СУГ с воздухом содержали от 2%; до 7,5% пропан-бутана. При приготовлении рабочих смесей состав СУГ соответствовал составу паровой фазы в баллоне: пропан - 92% об., бутан - 8% об. Характерная х — ¿-диаграмма и осциллограмма датчика давления приведены на рис. 3 и 4 соответственно для следующих условий: 7,0%; СУГ, ВЫ= 0,3, Т = 110 °С.

Т а б .л и ц а 1

Состав сжиженного углеводородного газа в рабочем баллоне

Температура, °С 7,0 16,0

Давление абс., атм 4,56 5,91

Мольная доля СЗН8 в жидк. фазе, % 73,2 72,6

Массовая доля СЗН8 в жидк. фазе, % 67,4 66,8

Мольная доля С4Н10 в жидк. фазе, % 26,8 27,4

Массовая доля С4Н10 в жидк. фазе, % 32,6 33,2

Парциальное давление пара СЗН8, атм 4,21 5,42

Парциальное давление пара С4Н10, атм 0,35 0,49

Доля СЗН8 в паровой фазе, % об. 92,3 91,7

Доля С4Н10 в паровой фазе, % об. 7,7 8,3

Рис. 3. Характерная х — ¿-диаграмма записи световых датчиков

Рис. 4. Характерная зависимость давления от времени

Используя х — ¿-диаграмму, легко вычислить среднюю скорость распространения горения на отдельных участках рабочей камеры. На рис. 5 и 6 приведены зависимости средних скоростей распространения горения от расстояния до места инициирования (п — х-диаграммы процессов горения) для смесей метана с воздухом при начальных температурах 20 °С и 110 °С. На диаграммах показаны реперные линии, соответствующие скоростям детонации Чепмена Жуге и звука в продуктах реакции для исследуемых смесей, для расчета которых использовался код БТАКЛАК [19].

2000

1800 6.0% СКОРОСТЬ ДЕТОНАЦИИ

1600 6.5% -—9.5%

1400

1200 13.0%

1000

800 / СКОРОСТЬ ЗВУКА

/ ----а

600

400

200

0

01 2345878

X, м

Рис. 5. V — ж-диаграммы процессов горения смесей метана с воздухом при температуре 20 "С

2000 1800 1600 1400 1200

0

1 1000 >

800 600 400 200 о

012345678

X, м

Рис. 6. v — ж-диаграммы процессов горения смесей метана с воздухом при температуре 110 "С

В случае бедных смесей при начальных температурах 20 °С и 110 °С медленное горение наблюдалось в смеси с содержанием метана 6,0%. Увеличение концентрации до 6,5% привело к формированию быстрого турбулентного горения. В экспериментах со стехиомет-рической смесью также наблюдался режим быстрого турбулентного горения.

В случае богатых смесей при начальной температуре 20 °С медленное горение наблюдалось при содержании метана 13,0%;, увеличение концентрации до 13,5%; привело к затуханию. При повышении температуры от 20 до до 110 °С медленное горение наблюдалось

-Ш- 6.0% 6.5% -- 9.5% -*- 13.0% ♦ 13.5% СКОРОСТЬ ДЕТОНАЦИИ

^^.....

/ СКОРОСТЬ ЗВУКА

при содержании метана 13,5%, снижение концентрации до 13% приводило к формированию быстрого турбулентного горения. Видно, что концентрационный предел сместился в область богатых смесей на 0,5%; метана. Также произошло расширение общих концентрационных пределов существования процессов горения.

На рис. 7, 8 и 9 приведены v — ж-диаграммы процессов горения смесей СУГ с воздухом при начальных температурах 20 °С, 70 °С и 110 °С.

2000 1800 1S00 1400 1200

и

Е 1000 >

800 S00 400 200 0

Рис. 7. v — ж-диаграммы процессов горения смесей СУГ с воздухом при температуре 20 "С

Рис. 8. V — ж-диаграммы процессов горения смесей СУГ с воздухом при температуре 70 "С

В случае бедных смесей СУГ воздух при начальной температуре 20 °С режим медленного горения наблюдался для концентраций 2,0%; и 2,5%;. Повышение концентрации до 3,0%; привело к формированию детонационного режима. Повышение начальной температуры до 70°С привело к смещению концентрационного предела для быстрого турбулентного горения на 0,3 0,8%;. Медленное горение наблюдалось при содержании топлива 2.2%;, повышение концентрации до 2,5%; привело к возникновению быстрого турбулентного горения, дальнейшее повышение до 3,0%; привело к формированию детонационного режима горения. Повышение начальной температуры смеси до 110 °С не привело к дополнительному изменению концентрационных пределов в области бедных смесей.

В богатых смесях при комнатной температуре режим медленного горения наблюдался при концентрациях СУГ 7,5% и 7%. Понижение концентрации до 6,5%. привело к возникновению режима быстрого турбулентного горения. Дальнейшее понижение концентрации до 6%. привело к формированию детонационного режима. Повышение начальной температуры до 70 °С не привело к смещению концентрационных пределов в области богатых смесей. Дальнейшее повышение температуры до 110 °С привело к расширению концентрационного предела быстрого турбулентного горения на 0,5%. пропан-бутана.

Концентрационные пределы детонации смесей пропан-бутана с воздухом во всем диапазоне начальных температур по указанным экспериментам составляют 3,0-6,0%. Во всех случаях скорость детонации, наблюдаемая в эксперименте, ниже скорости Чепмена-Жуге. Это объясняется неидеалыюстыо взрывного процесса, связанной с наличием препятствий и тепловыми потерями на стенках.

Также, исходя из экспериментальных данных, .можно утверждать, что видимая скорость распространения фронта пламени с увеличением начальной температуры для бедных и богатых смесей возрастает при аналогичных концентрациях. Увеличение скорости касается не только случая перехода из режима медленного горения в быстрое турбулентное горение.

О 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

СН4, % СУГ, %

а) б)

Рис. 10. Концентрационные пределы режимов горения смесей метан-воздух и СУГ-воздух в диапазоне температур от 20 °С до 110 °С

На рис. 10 результаты проведенных экспериментов показаны в виде диаграмм режимов распространения пламени для воздушных смесей метана (а) и пропан-бутана (б). На диаграммах показаны зависимости концентрационных пределов режимов горения от температуры. Линии разграничивают экспериментальные точки на различные режимы распространения пламени.

Эффект расширения концентрационных пределов для быстрого турбулентного горения с ростом начальной температуры показан как для метано-воздушных смесей, так и для смесей СУГ с воздухом, причем для богатых смесей данный эффект более выражен. Как отмечено в работе [12], влияние начальной температуры на концентрационные пределы можно объяснить известной зависимостью критической степени расширения а* (при а > а* возможно ускорение пламени в канале с препятствиями до скоростей порядка скорости звука в продуктах) от числа Зельдовича @ = Еа(Тъ — Ти)/Т2, где Еа - энергия активации, Ти - начальная температур а смеси, Ть - температура продуктов (адиабатическая температура горения). Таким образом, в результате повышения начальной температуры смеси уменьшается величина критической степени расширения а*, или, другими словами, критические условия для эффективного ускорения турбулентного пламени до скорости звука в продуктах с повышением начальной температуры смещаются в область менее реакцион-ноепоеобных смесей. На рис. 11 показано влияние начальной температуры на критическую степень расширения а* для бедных (а) и для богатых (б) смесей метана и пропан-бутана (СУГ) с воздухом, штриховые линии разграничивают медленные и быстрые режимы горения. Степень расширения для используемых в экспериментах смесей рассчитывалась с использованием кода БТАХЛАХ [19]. Следует отметить, что полученные результаты хорошо согласуются с оценками, сделанными в работах [12, 14].

в

7 6 5

О 4

3 2 1 0

О СУ Г - быстрый режим фСУГ - медленный режим & СН4 - быстрый режим д СН4 - медленный режим

100

120

1

1

ОСУГ быстрый режим

♦ СУГ медленный режим

А СН4 быстрый режим

А СН4 медленный режим

ее

ее

а) Бедные смеси б) Богатые смеси

Рис. 11. Влияние начальной температуры на критическую степень расширения

В отличие от экспериментов со смесями СУГ-воздух в метано-воздушных смесях детонационный режим не наблюдался, что связано с малым масштабом экспериментальной установки. Известно, что детонация в трубах с кольцевыми препятствиями возможна в смесях с поперечным размером ячейки детонации Л < й, где й - внутренний диаметр кольцевого препятствия [4|. В представленных в настоящей работе экспериментах внутренний диаметр кольцевого препятствия составлял 101 мм. В наиболее реакционноепоеобной сте-хиометрической смеси СЩ-воздух размер детонационной ячейки составляет 320 мм для начальных температуры 20 °С и давления 1 атм [6], что намного выше критического значения .

3. Заключение

Исходя из полученных результатов, можно сделать следующиее выводы: 1. Видимая скорость распространения фронта пламени с увеличением начальной температуры возрастает.

2. Концентрационные пределы распространения быстрого турбулентного горения зависят от начальной температуры. С ростом начальной температуры концентрационные пределы расширяются как для смесей пропан-бутана с воздухом, так и для смесей метана с воздухом.

3. Изменение концентрационных пределов распространения детонации в смесях пропан-бутана с воздухом с увеличением начальной температуры от 20 °С до 110 °С не наблюдается.

4. В смесях метана с воздухом при атмосферном давлении и при начальных температурах от 20 °С до 110 °С в соответствии с критерием перехода горения в детонацию для каналов с препятствиями d/X = 1 детонационный режим горения не наблюдается.

Литература

1. Кириллов Н.Г. Состояние топливно-энергетического комплекса России и энергосберегающий путь развития энергетики // Энергетика и промышленность России. 2002. № 1. С. О 7.

2. Елисеев В.Г., Кунис И.Д. Экологические аспекты применения сжиженного природного газа как альтернативного топлива // Конверсия в машиностроении. 2001. № 2. С. 21-23.

3. Стаскевич Н.Л., Вигдорчик Д.Я. Справочник по сжиженным углеводородным газам. Ленинград: Недра. Ленинградское отделение, 1986.

4. Peraldi О., Knystautas R., Lee J. Criteria for transition to detonation in tubes // 19th Symposium (International) on Combustion. The Combustion Institute. 1986. P. 1629-1637.

5. Knystautas R., Lee J.H., Guirao C.M. The critical tube diameter for detonation failure in hydrocarbon-air mixtures // Combustion and Flame. 1982. V. 48, N 1. P. 63-83.

6. Knystautas R., Guirao C., Lee J.H., Sulmistras A. Measurement of cell size in hvdrocarbonair mixtures and predictions of critical tube diameter, critical initiation energy, and detonabilitv limits // Prog. Astronaut. Aeronaut. 1984. V. 94. P. 23-37.

7. Kuznetsov M.S., Alekseev V.I., Bezmelnitsyn A. V., Breitung W., Dorofeev S.B., Matsukov I.D., Veser A., Yankin Yu.G. Effect of obstacle geometry on behavior of turbulent flames 11 Preprint IAE-6137/3. M.: RRC «Kurchatov Institute», 1999.

8. Dorofeev S.B., Sidorov V.P., Kuznetsov M.S., Matsukov I.D., Alekseev V.I. Effect of scale on the onset of detonations // Shock Waves. 2000. V. 10, N 2. P. 137-149.

9. Semenov I. V., Utkin P.S., Markov V. V., Frolov S.M., Aksenov V.S. Numerical and experimental investigation of detonation initiation in profiled tubes // Combustion Science and Technology. 2010. V. 182, N 11. P. 1735-1746.

10. Иванов B.C., Фролов C.M. Математическое моделирование распространения пламени в гладких трубах и трубах с регулярными препятствиями // Пожаровзрывобезопасность. 2010. Т. 19, № 1. С. 14-19.

11. Kuznetsov М., Ciccarelli G., Dorofeev S., Alekseev V., Yankin Yu,., Kim Т.Н. DDT in Methane-Air Mixtures 11 Shock Waves. 2002. V. 12, N 3. P. 215-220.

12. Kuznetsov M., Alekseev V., Yankin Yu., Dorofeev S. Slow and Fast Deflagrations in Hydrocarbon-Air Mixtures // Combustion Science and Technology. 2002. V. 174, N 5-6. P." 157-172.

13. Kuznetsov M., Alekseev V., Yankin Yu,., Matsukov I., Rohatgi IJ., Jo J., Kim T. Effect of pressure and temperature on flame acceleration and DDT limits for methane-air mixtures // Proceedings European Combustion Meeting (ECM2005), Louvain-la-Neuve, Belgium. 2005. P. 208.

14. Kuznetsov M., Alekseev V., Matsukov I., Kim Т.Н. Ignition, flame acceleration and detonations of methane air mixtures at different pressures and temperatures // Proceedings of 8th ISHPMIE. Jokohama. Japan. 2010. paper N ISH-118.

15. Peters N., Williams F.A. The asymptotic structure of stoichiometric methane-air flames // Combustion and Flame. 1987. V. 68, N 2. P. 185-207.

16. Andrews G.E., Bradley D. The burning velocity of methane-air mixtures // Combustion and Flame. 1972. V. 19, N 2. P. 275-288.

17. Aminallah M., Brossard J., Vasiliev A. Cylindrical detonations in methane-oxygen-nitrogen mixtures // Prog. Astronaut. Aeronaut. 1993. V. 153. P. 203-228.

18. Matignon C., Desbordes D., Presles H.N. Influence of the initial temperature on the detonabilitv of CH4/H2/02/N2 mixtures // Proceedings of 20th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, McGill University, Montreal, Canada. 2005. Paper. 64.

19. Reynolds W.C. Stanjan Chemical Equilibrium Solver. Palo Alto, California : Department of Mechanical Engineering, Stanford University, 1987.

References

1. Kirillov N.G. Status of the fuel and energy industry in Russia and energy saving path of evolution energy. Power and Industry of Russia. 2002. N 1. P. 6-7. (in Russian).

2. Eliseev V.G., Kunis I.D Environmental aspects of the use of liquid natural gas as an alternative fuel. Conversion in mechanical engineering. 2001. N 2. P. 21-23. (in Russian).

3. Staskevich N.L., Vigdorchik D. Ya. Handbook of liquefied petroleum gases. Leningrad: Nedra, Leningrad Branch, 1986. (in Russian).

4. Peraldi O., Knystautas R., Lee J. Criteria for transition to detonation in tubes. 19th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute. 1986. P. 1629-1637.

5. Knystautas R., Lee J.H., Guirao C.M. The critical tube diameter for detonation failure in hvdrocarbon-air mixtures. Combustion and Flame. 1982. V. 48, N 1. P. 63-83.

6. Knystautas R., Guirao C., Lee J.H., Sulmistras A. Measurement of cell size in hvdrocarbonair mixtures and predictions of critical tube diameter, critical initiation energy, and detonabilitv limits. Prog. Astronaut. Aeronaut. 1984. V. 94. P. 23-37.

7. Kuznetsov M.S., Alekseev V.I., Bezmelnitsyn A. V., Breitung W., Dorofeev S.B., Matsukov I.D., Veser A., and Yankin Yu.G. Effect of obstacle geometry on behavior of turbulent flames. Preprint IAE-6137/3. M.: RRC «Kurchatov Institute», 1999.

8. Dorofeev S.B., Sidorov V.P., Kuznetsov M.S., Matsukov I.D., Alekseev V.I. Effect of scale on the onset of detonations. Shock Waves. 2000. V. 10, N 2. P. 137-149.

9. Semenov I. V., Utkin P.S., Markov V. V., Frolov S.M., Aksenov V.S. Numerical and experimental investigation of detonation initiation in profiled tubes. Combustion Science and Technology. 2010. V. 182, N 11. P. 1735-1746.

10. Ivanov V.S., Frolov S.M. Mathematical modeling of flame spread in plain tubes and in tubes with regular hindrances. Fire and Explosion Safety. 2010. V. 19, N 1. P. 14-19. (in Russian).

11. Kuznetsov M., Ciccarelli G., Dorofeev S., Alekseev V., Yankin Yu„, Kim T.H. DDT in Methane-Air Mixtures. Shock Waves. 2002. V. 12, N 3. P. 215-220.

12. Kuznetsov M., Alekseev V., Yankin Yu., Dorofeev S. Slow and Fast Deflagrations in Hvdrocarbon-Air Mixtures. Combustion Science and Technology. 2002. V. 174, N 5-6. P. 157-172.

13. Kuznetsov M., Alekseev V., Yankin Yu,., Matsukov I., Rohatgi U., Jo J., Kim T. Effect of pressure and temperature on flame acceleration and DDT limits for methane-air mixtures. Proceedings European Combustion Meeting (ECM2005), Louvain-la-Neuve, Belgium. 2005. P. 208.

14. Kuznetsov M., Alekseev V., Matsukov I., Kim T.H. Ignition, flame acceleration and detonations of methane air mixtures at different pressures and temperatures. Proceedings of 8th ISHPMIE, Jokohama, Japan. 2010. paper N ISH-118.

15. Peters N., Williams F.A. The asymptotic structure of stoichiometric methane-air flames. Combustion and Flame. 1987. V. 68, N 2. P. 185-207.

16. Andrews G.E., Bradley D. The burning velocity of methane-air mixtures. Combustion and Flame. 1972. V. 19, N 2. P. 275-288.

17. Aminallah M., Brossard J., Vasiliev A. Cylindrical detonations in methane-oxvgen-nitrogen mixtures. Prog. Astronaut. Aeronaut. 1993. V. 153. P. 203-228.

18. Matignon C., Desbordes D., Presles H.N. Influence of the initial temperature on the detonabilitv of CH4/H2/02/N2 mixtures. Proceedings of 20th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems, McGill University, Montreal, Canada. 2005. Paper. 64.

19. Reynolds W.C. Stanjan Chemical Equilibrium Solver. Palo Alto, California : Department of Mechanical Engineering, Stanford University, 1987.

Поступим в редакцию 29.01.2019