О подобии влияния влагосодержания целлюлозы на скорость горения ее аэровзвеси и цилиндрического образца

УДК 614.841.4

О ПОДОБИИ ВЛИЯНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ НА СКОРОСТЬ ГОРЕНИЯ ЕЕ АЭРОВЗВЕСИ И ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ОБРАЗЦА

Проверялась правомерность высказанного ранее (Полетаев Н. Л., 2010) предположения о том, что зависимость нормальной скорости горения взвеси монодисперсных частиц горючего в окислительной атмосфере от параметров горючего и атмосферы пропорциональна (подобна) той, которая имеется для скорости распространения пламени по образцу этого же горючего, имеющего форму цилиндра, в той же атмосфере. Проверка осуществлялась в отношении такого параметра горючего, как влагосодержание. В качестве горючего использовалась целлюлоза, представленная веществами растительного происхождения, окислительной атмосферой являлся воздух. Цилиндрическим образцом являлась швейная нитка диаметром около 0,3 мм из хлопкового волокна, скорость распространения пламени по которой исследовалась экспериментально. Для сухой нитки скорость пламени была максимальной и составила около 12,5 мм/с. С ростом влагосодержания нитки происходило снижение скорости пламени приблизительно по линейному закону. Вблизи предела распространения, отвечающего влагосодержа-нию нитки около 35-40 % масс., скорость пламени составила 4-5 мм/с. Оценка характера зависимости нормальной скорости пламени по аэровзвеси целлюлозы от влагосодержания горючего основывалась на известных сведениях о показателях взрыва торфяной пыли различной влажности в камере объемом 1м3, полученных по методу стандарта ISO 6184/1 в предположении о постоянстве фактора турбулизации. Показано, что отношение полученных зависимостей скорости пламени от влагосодержания горючего для хлопковой нитки и для аэровзвеси торфяной пыли близко к константе.

Ключевые слова: горение волокон и аэровзвеси целлюлозы; влияние влагосодержания; скорость пламени.

Введение

Ранее была высказана гипотеза [1] о том, что нормальная скорость горения взвеси монодисперсного горючего в окислительной атмосфере по порядку величины совпадает со скоростью горизонтального (во избежание существенного влияния гравитации) распространения пламени по цилиндрическому образцу (диаметр цилиндра равен характерному размеру частицы взвеси) того же горючего, находящегося в той же атмосфере. В [1] приведены аналитические оценки и некоторые экспериментальные результаты исследования горения цилиндрических образцов целлюлозы, порождающие уверенность в существовании горючих веществ, для которых данная гипотеза справедлива. В частности, экспериментальные исследования скорости распространения пламени по цилиндрическим образцам горючего различного диаметра подтверждают известную из теории горения взвесей обратно пропорциональную зависимость скорости пламени по аэровзвеси от диаметра частиц.

© Полетаев Н. Л., 2010

Согласно данной гипотезе зависимость нормальной скорости горения взвеси монодисперсных частиц горючего в окислительной атмосфере от параметров горючего и атмосферы должна быть пропорциональна (подобна) зависимости скорости распространения пламени по образцу того же горючего, выполненному в виде цилиндра. При этом согласно [1] диаметр цилиндра может варьироваться в широких пределах.

Представляется целесообразным продолжить работы по обоснованию правомерности данной гипотезы, позволяющей трудоемкие и, вообще говоря, неоднозначные по своей интерпретации [2] исследования нестационарного турбулентного горения аэровзвеси, связанные с количественной оценкой динамики горения пылевоздушного облака, заменить на весьма простое исследование стационарного горения цилиндрического образца горючего.

В настоящей работе проводится экспериментальная проверка упомянутой гипотезы в части влияния влагосодержания горючего на скорость пламени.

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 № 12

В качестве горючего рассмотрены материалы растительного происхождения на основе целлюлозы, окислительной атмосферой являлся воздух.

Описание объектов исследования и методики эксперимента

Объектами экспериментального исследования (далее — образцами) в настоящей работе были отрезки белой швейной нитки с различной влажностью. Швейная нитка имела диаметр около 0,3 мм и состояла из волокон хлопка диаметром от 15 до 20 мкм.

В опытах по горению увлажненных ниток ставилась задача определения зависимости скорости пламени от влагосодержания образца. Увлажнение нитки производилось следующим образом. Высушенную нитку длиной 10 м (свернутую кольцами диаметром около 30 мм) и известной массы (0,46 г) погружали на несколько секунд в воду, а затем подвергали механическому отжиму до достижения влажности около 50 % масс. и последующей медленной сушке при комнатной температуре. Текущее значение влажности нитки определяли взвешиванием. Для эксперимента использовали отрезки нитки с текущей влажностью длиной около 60 мм. Отрезок нитки располагали в горизонтальной плоскости на натянутых в поперечном к нему направлении через каждые 10 мм капроновых лесках диаметром 0,1 мм. Зажигание отрезка нитки с одного конца производили горящей спичкой. Время прохождения пламенем контрольного участка нитки длиной 10-20 мм в центральной части образца фиксировали секундомером с точностью 0,1 с.

Скорость распространения пламени по образцам определялась как отношение длины контрольного участка к времени прохождения этого участка пламенем. Точность определения скорости пламени составляла около 15 %.

Результаты экспериментальных исследований

Результаты исследования скорости распространения пламени по швейной нитке с различной влажностью представлены на рис. 1.

Из представленных на рис. 1 данных следует, что для сухой нитки скорость пламени была максимальной и составила около 13 мм/с. С ростом ее влажности скорость пламени падала приблизительно по линейному закону. Максимальное пожароопасное содержание влаги в образце составило приблизительно 35-40 % масс.

Обсуждение полученных результатов

В рамках поставленной задачи представляется интересным обсудить подобие полученной зависи-

Рис. 1. Зависимость скорости распространения пламени и по швейной нитке с различным влагосодержанием А. Отрезок прямой — аппроксимация дискретной зависимости, представленной экспериментальными данными

мости скорости распространения пламени по нитке от ее влажности известным экспериментальным зависимостям скорости выгорания аэровзвеси от вла-госодержания горючего, полученным для твердых дисперсных материалов, близких по составу к целлюлозе (на примере материалов растительного происхождения).

Исследованию влияния влагосодержания горючего на динамику взрыва аэровзвесей посвящено много исследований [3, 4], из которых следует, что наиболее достоверные результаты получают в крупномасштабных взрывных камерах. Действительно, эксперименты в цилиндре Хартмана объемом 1,2 л с мучной пылью приводят к выводу о невозможности распространения пламени по аэровзвеси при влаго-содержании горючего, превышающем 15 % масс. [5]. Эксперименты во взрывном цилиндре Годжелло объемом 4 л свидетельствуют о невзрывоопасности аэровзвеси при влагосодержании горючего, превышающем 20-25 % масс. [3]. В то же время исследования горения пылей во взрывной сферической камере объемом 1 м3 [6] по методу стандарта [7] позволяют выявить взрывоопасность пылей при заметно большем влагосодержании горючего. Например, аэровзвесь пыли торфа (состоящей в основном из целлюлозы) со средним размером частиц 48 мкм оказывается способной распространять пламя при влаго-содержании горючего, близком к 40 % масс. В связи с этим обратимся к результатам упомянутого крупномасштабного исследования влияния влагосодержания торфяной пыли на динамику горения ее аэровзвеси.

Результаты исследования зависимости максимального давления взрыва и максимальной скорости нарастания давления взрыва торфяной пыли от ее влагосодержания приводятся на рис. 2. Попытаемся по этим результатам оценить зависимость скорости распространения пламени по аэровзвеси торфа от влагосодержания торфа.

ю| 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНаСТЬ 2010 ТОМ 19 № 12

Рт, 102кПа

а

10 8 6 4 2 0

10 15 20 (с!Р/с1г)т, 102 кПа/с

160 120 80 40 0

25

30

35 А, % масс.

б

10

15

20

25

30

35 А, % масс.

Рис. 2. Зависимость максимального избыточного давления взрыва торфяной пыли Рт (а) и максимальной скорости его нарастания (ёР/ё?)т (б) от ее влагосодержания А [5]

Для оценки турбулентной скорости и( распространения пламени в аэровзвеси, представленной по аналогии с исследованием турбулентного горения газовоздушных смесей [8] в виде

и = Еип.

где Е — фактор турбулизации пламени;

ип — нормальная скорость горения аэровзвеси, используют следующее соотношение [9]:

и =

ёР/ ё?

я2 (р У1

3 1? ( ^] (Рт,  - Р«»

где Р и ёР/ё? — текущие значения соответственно абсолютного давления продуктов горения, кПа, и скорости нарастания давления продуктов горения, кПа/с, полученные в единичном опыте по горению аэровзвеси в сферической взрывной камере при зажигании в центре камеры; Р0 — начальное абсолютное давление воздуха в камере, кПа;

Рт а — максимальное адиабатическое абсолютное давление продуктов горения кПа; 1 — радиус камеры; Я = 1, 2 м; у — постоянная адиабаты для воздуха; у = 1,4;

1

радиус сферы, объем которой совпадает с текущим значением объема продуктов горения:

Я? = 1

1/у

- Р

Рт, а Р0

1/3

Соотношение (2) позволяет оценить значение турбулентной скорости горения и проследить за ее изменением на всем протяжении адиабатической стадии развития взрыва на основе имеющейся осциллограммы развития пылевого взрыва Р(?). Однако в соответствии с данными рис. 2, б в нашем распоряжении фактически имеются сведения лишь об одной точке осциллограммы развития взрыва, а именно той, где скорость нарастания давления взрыва максимальна. Согласно имеющемуся опыту исследований [3,4] данная точка осциллограммы отвечает давлению взрыва Р, приблизительно равному

Р =(Рт + Р„)/2.

Турбулентное горение пылей на последней стадии развития взрыва сопровождается весьма интенсивным охлаждением продуктов горения в результате их соприкосновения с холодными стенками взрывной камеры, и даже для крупномасштабных камер предположение о совпадении величин Рт, а и Рт может оказаться достаточно грубым. Согласно исследованиям [10] связь упомянутых величин для сферической взрывной камеры объемом 1 м3 представляется следующим соотношением:

1 1 С

Р™ Рп

Рт, а Р0

(<Р/ ё?) „

где С = 1,15 с-1.

Таким образом, наша оценка величины и сводится к расчетам по соотношению (2), где параметр (ёР/ ё?) следует заменить на величину (ёР/ ё? ^величина Р рассчитывается по (3), а величина Рт а — из (4). При этом значения Рт и (ёР/ё? )т для каждого значения содержания влаги заимствуются из графиков рис. 2. Следует, однако, отметить, что упомянутые расчеты предполагают, что рассматриваемая точка осциллограммы соответствует окончанию адиабатической стадии развития пылевого взрыва. Данное предположение разумно при достаточно высоких экспериментальных значениях Рт (более 500 кПа), что накладывает ограничение на область определения результатов расчетов (влагосодержа-ние торфа не превышает 35 % масс.).

На рис. 3 приводится график зависимости экспериментальной оценки скорости распространения турбулентного пламени по аэровзвеси торфа от его влагосодержания. Экспериментальные данные для пыли торфа с влажностью менее 13 % отсутствуют. Можно отметить, что представленная на рис. 3 зависимость в области своего определения (35 % > А > > 13 % масс.) близка к линейной.

Сопоставление зависимостей на рис. 1 и 3 позволяет сделать вывод об их подобии, поскольку на общем интервале определения, где влагосодержание горючего изменяется от 13 до 35 % масс., отноше-

0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 № 12

Ц, м/с 1----

2,0--

1,5-----

1,0----^-

0,5 —

-----4

О 10 20 30 А, % масс.

Рис. 3. График экспериментальной зависимости скорости иI = Еи„ распространения турбулентного пламени по аэровзвеси торфа от влагосодержания горючего А

ние линейных аппроксимаций экспериментальных значений скоростей пламени близко к постоянной величине: Ц/и ~ 200.

Разумно предположить, что в рамках испытаний по методу [7] фактор турбулизации пламени в аэровзвеси для пылей различной влажности будет приблизительно постоянным, т. е. график на рис. 3 с точностью до постоянного коэффициентаЕпредставляет собой график зависимости нормальной скорости горения аэровзвеси торфяной пыли от ее влагосо-держания. Таким образом, следует ожидать, что зависимость нормальной скорости горения аэровзвеси целлюлозы от влагосодержания горючего также будет подобна (пропорциональна) зависимости скорости распространения пламени по цилиндрическому образцу целлюлозы от влагосодержания горючего.

Заключение

Проведено экспериментальное исследование зависимости скорости горизонтального распространения пламени по цилиндрическому образцу целлюлозы, представляющему собой хлопковую швейную нить диаметром 0,3 мм, от влагосодержания последней.

Для сухой нити скорость пламени была максимальной и составила около 12,5 мм/с. С ростом вла-госодержания нити происходило снижение скорости пламени приблизительно по линейному закону. На пределе распространения пламени скорость пламени составила около 5 мм/с.

Произведена оценка зависимости нормальной скорости горения аэровзвеси торфа, состоящей также в основном из волокон целлюлозы, от влагосодержа-ния торфа в диапазоне значений влагосодержания от 13 до 35 % масс. Показано, что обе зависимости, полученные для швейной нити и для аэровзвеси торфяной пыли, пропорциональны (подобны). Отмечена также близость критических для распространения пламени значений влагосодержания горючего — 35-40 % масс.

Данные результаты служат подтверждением правомерности высказанной ранее в [1] гипотезы о подобии закономерностей распространения пламени по монодисперсной взвеси частиц горючего в окислительной атмосфере и по цилиндрическим образцам горючего в той же атмосфере.

N

ю 20 зо А, %

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Полетаев Н. Л. О методе экспериментальной оценки нормальной скорости горения аэровзвеси // Пожаровзрывобезопасность. — 2010. — Т. 19,№ 10.— С. 2-8.

2. Poletaev N. L. About estimation of dust explosibility // Fire-and-Explosion Hazard of Substances and Venting of Deflagrations: Proceedings of Second International Seminar, 11-15 August, 1997, Moscow. — P. 779-786.

3. Корольченко А. Я. Пожаровзрывоопасность промышленной пыли. — M.: Химия, 1986. — 216 с.

4. Eckhoff R. К. Dust explosions in the process industries (3rd ed.). — Boston: Gulf Professional Publishing / Elsevier (ISBN 0-7506-7602-7), 2003.

5. Eckhoff R. К., Natisen К. P. A critical examination of the effect of dust moisture on the rate of pressure rise in Hartmann bomb tests // Fire Research. — 1978. — Vol. 1. — P. 273-280.

6. Brenn-und-Explosions — Kenngrossen von Stauben / Scholl E. W., Reeh D., Wiemann W. u. a. // SFT-Report. — Nо. 2. 2-79. — S. 100.

7. ISO 6184/1. Explosion protection system. Part 1: Determination of explosion indices of combustible dust in air.

8. Карпов В. П., Северин Е. С. Турбулентные скорости выгорания пропано-воздушных пламен, определенные в бомбе с мешалками // ФГВ. — 1978. — Т. 14, № 2. — С. 33-39.

9. Kumar R. К., Bowles E. М., Mintz К. J. Large-Scale Dust Explosions Experiments to Determine the Effects of Scaling on Explosion Parameters // Combustion and Flame. — 1992. — Vol. 89. — P. 320-332.

10. Полетаев Н. Л. Взрывоопасность пылей : дис.... д-ра техн. наук. — M.: ВНИИПО, 1998. — 257 с.

Материал поступил в редакцию 29 сентября 2010 г.

Электронный адрес авторов: nlpvniipo@mail.ru.

12

ISSN 0869-7493 ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ 2010 ТОМ 19 № 12