Экспериментальное исследование влияния формы нагретой частицы на характеристики зажигания жидких топлив

ПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ

Г. В. Кузнецов

д-р физ.-мат. наук, профессор, Томский политехнический университет, г. Томск, Россия

А. В.Захаревич

ассистент, Томский политехнический университет, г. Томск, Россия

и.и

В. И. Максимов

канд. тех. наук, старший преподаватель, Томский политехнический университет, г. Томск, Россия

УДК 536.468

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ НАГРЕТОЙ ЧАСТИЦЫ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАЖИГАНИЯ ЖИДКИХ ТОПЛИВ

Излагаются результаты экспериментального исследования закономерностей зажигания жидких топлив (керосина, дизельного топлива и мазута) одиночной, нагретой до высоких температур сферической стальной частицей. Проведено сравнение времен задержки зажигания исследуемых пожароопасных веществ частицами в форме сферы и диска. Установлено, что форма частицы не оказывает существенного влияния на характеристики процесса зажигания.

Ключевые слова: экспериментальные исследования, жидкое топливо, форма стальной частицы, время задержки зажигания, температура частицы.

Введение

В результате экспериментальных исследований [1,2] установлено, что нагретые до высоких температур частицы в форме диска являются источниками зажигания типичных жидких топлив (керосина, дизельного топлива, мазута) при температурах выше 1230 К. Однако на практике нагретые частицы достаточно часто имеют форму сферы, поэтому целесообразными являются исследования зажигания жидких топлив частицами в форме сферы и установление степени влияния формы частицы на параметры зажигания.

Целью данной работы является экспериментальное исследование процесса зажигания пожароопасных топлив одиночной, нагретой до высоких температур стальной частицей в форме сферы и сравнение полученных данных с результатами аналогичных исследований для частиц в форме диска.

Методика эксперимента

Для исследований использовалась экспериментальная установка [3], основными элементами которой являлись нагревательная печь и контрольно-измерительный блок. При планировании экспери-

мента была выбрана наиболее типичная схема: металлическая частица падает перпендикулярно поверхности жидкости с малой скоростью — не более 1,7 м/с. На основании такой схемы выбиралось фиксированное значение высоты падения частицы, которое не позволяло пожароопасным топливам самовоспламеняться от нагревательной печи. Принималось, что частица погружается в жидкость не полностью. Эксперименты проводились для частиц в форме сферы диаметром 1 = 6 • 10-3 м. Металлическая частица падала в стеклянный вертикальный сосуд размером к = 4 • 10-2 м и 1 =5 • 10-2 м. Температура частицы Тч существенно превышала начальную температуру жидкого топлива (300 К). Для обеспечения достоверности результатов измерений проводилась серия опытов (4-6 раз подряд в одинаковых условиях). Моменты соприкосновения "горячей" стальной частицы с поверхностью жидкости и появления пламени фиксировались датчиками на базе электронного фотоэлемента. Время задержки зажигания тгя1 определялось с момента контакта частицы с поверхностью пожароопасного вещества до момента появления пламени. Интервал между этими двумя моментами регистрировался на персональном компьютере.

Результаты экспериментальных исследований

Опыты проводились со сферическими металлическими частицами, диаметр которых был равен диаметру частиц-дисков, исследованных ранее [1-4]. На рис. 1-3 приведены экспериментальные зависимости времени задержки зажигания от температуры частицы Тч при воспламенении керосина, дизельного топлива и мазута стальными частицами в форме сферы и диска. Кривые построены в результате аппроксимации экспериментальных данных. Аппроксимационные кривые получены методом наименьших квадратов. Коэффициент вариации экспериментальных данных при постоянной температуре составляет не более 10 %. Эксперименты проводились для частиц с одинаковой площадью миделевого сечения. Как видно из результатов экспериментов, отличие времен задержки зажигания частицами в форме диска и сферы для исследуемых жидких топлив составляет не более 18%. Такое отклонение экспериментальных данных наблюдается при начальной (минимальной) температуре зажигания жидкого топлива. При дальнейшем повышении температуры частиц рассеяние экспериментальных данных уменьшается.

На основании результатов экспериментальных исследований можно сделать вывод, что форма частицы оказывает несущественное влияние на характер зажигания жидкого топлива. Установленные закономерности можно объяснить следующим образом. Эксперименты для трех вышеназванных жидких топлив проводились в идентичных условиях: частицы погружались в жидкость в среднем не более чем на 1,5 мм. При идентичных глубинах погружения и диаметрах диска и сферы площади контакта 5к частиц разной формы различались: значение 5к было в 1,5 раза меньше для частицы-сферы. Поэтому и количество теплоты, передаваемое в жидкость, в экспериментах с частицами в форме сферы было ниже, чем в опытах с частицами в форме диска. Отличие же во времени задержки зажигания, очевидно, обусловлено тем, что частица-диск после погружения в дизельное топливо нагревала его в основном за счет теплоотвода с боковой поверхности. Торцевая поверхность частицы-диска слабо участвовала в процессе передачи энергии в топливо, после того как диск достигал дна сосуда с жидкостью. В отличие от диска частица-сфера соприкасалась с дном сосуда только в одной точке, остальная же часть поверхности охлаждалась за счет теп-лоотвода в топливо. Формально площадь контакта с жидкостью частицы-диска, лежащей на дне, была в 1,5 раза меньше, чем частицы-сферы в аналогичных условиях.

Tind> с 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0

1300

1350

1400

1450

Тч, К

Рис. 1. Экспериментальная зависимость времени задержки зажигания дизельного топлива от температуры частицы: 1 — сфера d =6  10- м; 2 — диск d = 6  10- м, к = 3  10-3 м

%ind> с 0,20 0,18 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08

0,06 -,-,-,-,-,-,—

1300 1320 1340 1360 1380 1400 1420 Тч, К

Рис. 2. Экспериментальная зависимость времени задержки зажигания керосина от температуры частицы: 1 — сфера d = 6  10- м; 2 — диск d = 6  10- м, h = 3  10- м

хтФ с 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02

0

1300 1320 1340 1360 1380 1400 1420 Тч, К

Рис. 3. Экспериментальная зависимость времени задержки зажигания мазута от температуры частицы: 1 — сфера d = 6  10-3 м; 2 — диск d = 6  10-3 м, к = 3  10-3 м

Однако необходимо отметить, что диск опускался на дно сосуда и проходил через топливо с конечной скоростью, нагревая жидкость за счет охлаждения нижней торцевой поверхности в течение интервала времени, соответствующего его движению. При этом образующиеся пары горючего, двигаясь с высокой скоростью вверх, препятствовали движению частицы и существенно снижали скорость ее перемещения вниз. В результате теплота, аккумулируясь в частице, достаточно интенсивно (не менее интенсивно, чем для сферы) передавалась в топливо.

И даже после того, как частица достигала дна, вследствие шероховатости поверхностей стеклянного сосуда и самой частицы между ними не было идеального контакта. Находящееся между их поверхностями в элементах шероховатости (трещинах, выемках, зазорах) топливо интенсивно испарялось, и образующиеся при этом парообразные продукты локально выходили из-под диска с высокой интенсивностью.

По этим причинам в итоге разность значений гш для частиц в форме сферы и диска составляет не более 18 % в случае низких температур частиц и стремится к нулю при повышении их температуры.

Сопоставление численных значений тш, полученных в идентичных условиях для дизельного топлива, керосина и мазута (см. рис. 1, 2 и 3 соответственно), позволяет сделать еще один важный вывод. Во всем охваченном диапазоне изменения температур наименьшее значение времени задержки воспламенения зафиксировано при зажигании мазута. Этот неочевидный на первый взгляд результат скорее всего обусловлен особенностями процессов образования паров исследуемых жидких топлив. Мазут относится к топливам с высокой долей коксового остатка процесса пиролиза (крекинга) исходного вещества. Поэтому для перехода из жидкого состояния в состояние, характерное для воспламенения этого топлива, необходимо при прочих адекватных условиях наименьшее количество энергии из трех рассматриваемых жидкостей. При испарении (точнее газификации) керосина образуется

минимальное по сравнению с дизельным топливом и мазутом количество твердых продуктов, и, соответственно, теплота его испарения максимальна. На подготовку процесса воспламенения единицы массы этого вещества необходимо затратить наибольшее по сравнению с мазутом и дизельным топливом количество теплоты. Следовательно, время задержки зажигания керосина в одинаковых с мазутом и дизельным топливом условиях должно быть наибольшим.

Заключение

Экспериментально исследовано зажигание группы типичных жидких топлив одиночными, нагретыми до высоких температур металлическими частицами в форме сферы и диска. На основании полученных в результате экспериментальных исследований зависимостей тш от Тч можно сделать вывод о возможности использования полученных ранее результатов для частиц в форме диска при анализе времен задержки воспламенения жидких топлив частицами в форме сферы при их идентичном характерном размере. Отклонение от истинного значения при этом, по крайней мере, не будет превышать погрешности экспериментальных методик определения времен задержки воспламенения в рассматриваемых условиях.

***

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект 06-08-00366).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кузнецов, Г. В. Зажигание дизельного топлива одиночной "горячей" металлической частицей/ Г. В. Кузнецов, А. В. Захаревич, В. И. Максимов // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 4. — С. 28-30.

2. Захаревич, А. В. О механизме зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей / А. В. Захаревич, Г. В. Кузнецов, В. И. Максимов // Пожаровзрывобезопасность. — 2008. — Т. 17, № 5. — С. 39-42.

3. Кузнецов, Г. В. Зажигание жидкого пожароопасного вещества одиночной "горячей" металлической частицей / Г. В. Кузнецов, А. В. Захаревич, В. И. Максимов // Изв. вузов. Физика. —

2007. — № 9/2. — С. 90-95.

4. Захаревич, А. В. Оценка пожарной опасности мазута в условиях перегрузки, хранения и транспорта на тепловых электрических станциях/А. В. Захаревич, Г. В. Кузнецов, В. И. Максимов, В. Ф. Панин, Д. С. Равдин // Известия Томского политехнического университета. —

2008. — Т. 313, № 4. — С. 25-29.

Материал поступил в редакцию 23 декабря 2009 г. © Кузнецов Г. В., Захаревич А. В., Максимов В. И., 2010 г.

(e-mail: bet@tpu.ru).

ООО "ИЗДАТЕЛЬСТВО

Web сайт: www.firepress.ru Эл. почта: mail@firepress.ru; izdat_pozhnauka@maii.ru Тел.: (495) 228-09-03, тел./факс: (495) 445-42-34

предлагает вашему вниманию

А. Я.Корольчен ко

Пожарная опасность материалов

для строительства* -217 с.

Дана классификации строительных материалов по областям применения в сфере строительства. Приведена характеристика основных физико-меха нических и теплофизических свойств. Описаны механизмы дымообра-зования и образования токсичных продуктов горения, методы экспериментального определения показателей пожарной опасности, предусмотренных национальными стандартами: горючести, воспламеняемости, распространения пламени по поверхности, дымообразующей способности и токсичности продуктов горения. Дана характеристика пожарной опасности основных классов Строительных материалов.

Jirf

ж

А.Я.Корольченко, О» Н. Корольченко Средства огнезащиты. - 560с.

В справочнике приведены характеристики около 300 огнезащитных составов, представленных 50 производителями. В книге изложены требования нормативных документов к средствам и способам огнезащиты, проведению огнезащитных работ, методы испытаний огнезащитных составов, способы контроля качества и правила приемки огнезащитных работ.

М