Распространение пламени в гибридных смесях уголь-метан-воздух

Министерство образования и науки Украины

Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова

Кафедра общей и химической физики

Распространение пламени в гибридных смесях уголь-метан-воздух

Курсовая работа

                                                                                   студентки IV  курса

                                                                     физического факультета Каменецкой Ольги Ивановны

                                                                     Научный руководитель

       профессор Шевчук В.Г.

Одесса-2004

Содержание

Введение

Глава1. Распространение пламени в горючих смесях

1.1            Распространение пламени в газофазных смесях.

1.1.1.   Структура одностадийной волны и скорость горения в приближении узкой зоны реакции.

1.1.2.   Воспламенение газовых смесей и скорость распространения пламени.

1.2            Ламинарное пламя в пылях.

1.3            Распространение пламени в гибридных смесях.

Глава2. Экспериментальная установка и методика исследования пламени  гибридных смесях.

2.1 Описание установки.

2.2 Методика обработки результатов.

Выводы.

Введение.

Горение в режиме распространения пламени является  наиболее часто встречающимся видом горения как в гомогенных газообразных системах, так и в пылях.

Задача распространения пламени в газах является классической задачей физики горения и подробно изучена как в экспериментальном [1], так и в теоретическом плане [2].

В отличие от газов, где горючее и окислитель перемешаны на молекулярном уровне, в пылях появляются дополнительные управляющие параметры, обусловленные дисперсным состоянием горючего, такие как: размер частиц, их форма, распределение частиц по размерам [3].

В газодинамическом отношениями между газами и пылями существует определённое подобие, проявляющееся в существовании режимов распространения пламени: ламинарного, вибрационного, турбулентного, детонационного. Однако, если в газах условия существования этих режимов определяются только концентрационными соотношениями, то  в пылях они в более значительной мере зависят  от дисперсных  характеристик горючего.

Промежуточное положение между газами и пылями занимают так называемые гибридные смеси, т. е. смеси горючего порошка с газообразным окислителем и горючим. Например, гибридные смеси уголь-метан-воздух. Именно в таких смесях происходят наиболее разрушительные шахтные взрывы. Однако в экспериментальном плане такие системы практически не изучались (за исключением детонаций в экспериментальных штреках). Теоретическое моделирование распространение пламени в смеси горючих газов и частиц, основанное на численном интегрировании уравнений теплового и массового баланса проводились в единственно известной нам работе [4].

Из общих физических соображений следует ожидать, что если частицы достаточно мелкие для того, чтобы воспламеняться и гореть в зоне газового пламени, то твёрдая фаза будет выступать как дополнительный источник тепла и скорость пламени должна численно возрастать в гибридной смеси по сравнению с чисто газовой смесью. Если же газообразная смесь является быстрогорючей, а частицы достаточно крупными, то горение частиц будет происходить вблизи или в зоне газофазных продуктов сгорания. В этом случае тепловыделение на частицах реализуется на больших расстояниях от границы предпламенная зона – зона газофазного горения и не будет оказывать существенного влияния на динамику прогрева предпламенной зоны, т.е. частицы будут служить дополнительным стоком тепла в зоне горения аналогично инертной добавки. Вследствие этого следует ожидать снижение скорости распространения пламени.

Для указанных двух подходов должны реализовываться различные расчётные схемы ламинарного пламени. Выбор того или иного подхода, прежде всего, должен основываться на экспериментальных исследованиях ламинарного пламени в гибридных смесях.

Наша работа посвящена экспериментальному изучению ламинарного пламени в гибридных смесях метан-уголь-воздух. Её основная идея заключается в сравнительных исследованиях процесса распространения пламени в следующих смесях: метан-воздух при различных концентрационных соотношениях компонентов; метан-уголь-воздух; метан-воздух-инертная добавка при соответствующих концентрациях метана. В качестве базового экспериментального метода выбран метод тонкостенного резинового зонда, т.е. предварительно создаётся горючая газообразная смесь, затем производится распыл твёрдого компонента и центральное зажигание. Для этого нам понадобилось модифицировать установку “зонд” [5] прежде всего системой приготовления и контроля параметров горючей метановоздушной смеси. В работе дано описание установки и приведены результаты предварительных опытов.     

Глава 1: Распространение пламени в горючих смесях.

1.1 Распространение пламени в газофазных смесях.

1.1.1 Структура одностадийной волны и скорость горения в приближении  узкой зоны реакции.

Распространение волны горения является одним из возможных режимов, в котором могут протекать экзотермические химические реакции. При распространении волны горения исходное вещество, имеющее сравнительно низкую начальную температуру, отделено узкой зоной горения от продуктов реакции, имеющих значительно более высокую температуру. Зона горения, разделяющая исходное вещество и продукты, перемещается в сторону исходного вещества с некоторой линейной скоростью uн , называемой нормальной скоростью горения.

В волне горения протекают химические реакции, приводящие к выделению тепла и нагреву среды, происходит перенос тепла и компонентов смеси благодаря процессам теплопроводности, излучения, диффузии, фильтрации и т. п.

Главной задачей теории распространения волн горения является изучение стационарной волны горения и выяснение условий, при которых стационарный волновой режим реакции может быть реализован. Важность этих вопросов обусловлена наибольшей распространенностью стационарного режима и его значением в практических применениях.

В стационарном режиме волна горения распространяется практически с постоянной скоростью, причем постоянной является не только скорость волны, остаются неизменными также профили температуры и концентраций компонентов (в системе координат, связанной с волной горения). Понятие о стационарной волне горения по существу является приближенным, но изменения скорости и структуры волны горения за время ее распространения в большинстве случаев столь незначительны, что понятие стационарного режима приобретает вполне реальный смысл.

Типичные профили температуры Т и скорости тепловыделения при однозонном протекании реакции показаны на рис.1, где через х/ обозначена пространственная координата, стрелкой указано направление, в котором распространяется волна; буквами QФ обозначена скорость тепловыделения.

                                                          Т в                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                   

           Uн

                                                   QФ                                       

То

                                 Рис 1.                             Х’

Физическая картина процесса стационарного распространения волны горения состоит в следующем.

Поскольку скорость реакции сильно увеличивается с температурой, то там, где температура высока (адиабатическая температура горения Тb  обычно лежит в пределах 1000-3000 К ), химическое превращение протекает с очень большой скоростью, к примеру, за миллисекунды. В зоне интенсивного химического превращения, расположенной в области высоких температур (см. рис. 1), выделяется тепло, которое благодаря процессу теплопроводности передаётся в рядом лежащие слои холодного вещества, нагревая их и ускоряя  тем самым там реакцию. В результате в среде происходит  распространение волны экзотермической реакции. Кроме теплопроводности, в волне горения происходит ещё диффузия компонентов на расстояниях порядка толщины зоны горения в случае горения газов и разные другие процессы при горении гетерогенных систем.

Волну горения удобно рассматривать в системе координат, перемещающейся вместе с ней. Пусть волна горения распространяется в направлении, обратном направлению координаты x/   (x/  - расстояние в неподвижной системе координат), со скоростью un .Уравнение теплопроводности в неподвижной системе координат запишем в следующем виде:

                   ,                                 (1.11)

где  t – время; cp – удельная теплоёмкость среды при постоянном давлении;  - плотность;  - коэффициент теплопроводности; QkФk  - скорость тепловыделения в k–й  реакции (суммирование ведётся по всем возможным реакциям). Нижний индекс у частной производной по времени указывает, что эта производная берётся при x/ =const.

Перейдём к системе координат, связанной с волной горения:

 ,                                                                                        (1.12)

где x – расстояние в движущейся со скоростью un  системе координат.

Заменяя в (1.1.1)  x/   на  x , получим

.                                    (1.13)

Поскольку в стационарной волне горения профиль температуры остаётся неизменным, производная  при x = const равна нулю. Поэтому имеем:

.                                          (1.14)

Граничные условия для (1.1.4)  (полагаем, что теплопотери отсутствуют и в волне горения достигается термодинамическое равновесие):

                   .                                                                  

        Для простоты будем считать, что в каждой точке стационарной волны горения имеется некоторая однозначная связь между концентрациями компонентов и температурой. Тогда скорость тепловыделения в уравнении (1.1.4) можно считать функцией только температуры и поэтому (1.1.4) можно рассматривать независимо от остальных уравнений. С учётом этого представим уравнение (1.1.4) в следующей простейшей форме:

                                                                (1.15)

Здесь скорость реакции Ф, являющаяся согласно сделанному предположению функцией только температуры, должна обращаться в нуль при Т=Тb , поскольку температура горения Тb  соответствует завершению реакции; Q – тепловой эффект реакции.

 Будем считать, что выделение тепла в волне горения происходит одностадийно, например, вследствие протекания только одной химической реакции. Подчеркнем, что это не означает отсутствие других реакций. Предположение состоит лишь в том, что вкладом в скорость тепловыделения  от остальных реакций по тем или иным причинам можно пренебречь. Снова будем рассматривать уравнение теплопроводности (1.15):

Страницы: 1, 2