Закономерности воспламенения пористого горючего при вынужденной фильтрации газообразного окислителя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.17, кандидат физико-математических наук Пивушков, Александр Викторович

• Пивушков, Александр Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Пивушков, Александр Викторович

ПРИНЯТЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Глава I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Глава II. РЕЖИМЫ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЫ ПРИ ВЫНУЖДЕННОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ГАЗООБРАЗНОГО ОКИСЛИТЕЛЯ

§ 2.1. Физическая постановка задачи.

§ 2.2. Математическая постановка задачи.

§ 2.3. Метод решения.

§ 2.4. Результаты расчетов и обсуждение.

§ 2.4.1. Низкотемпературный режим

§ 2.4.2. Высокотемпературный режим

§ 2.4.3. Критическое условие и период индукции

§ 2.5. Краткие выводы главы II.

ГЛАВА III. ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕТЕРОГЕННОЙ СИСТЕМЫ НА ЕЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ

§ 3.1. Постановка задачи.

§ 3.2. Влияние переменной пористости.

§ 3.3. Влияние расхода на критическую температуру.

§ 3.4. Влияние диффузии.

§ 3.5. Влияние длины образца.

§ 3.6. Влияние кинетических характеристик.

§ 3.7. Влияние коэффициента теплообмена.

§ 3.8. Краткие выводы главы III.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности воспламенения пористого горючего при вынужденной фильтрации газообразного окислителя»

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 конденсированного 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-21", 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. С.М. 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.

Заключение диссертации по теме «Химическая физика, в том числе физика горения и взрыва», Пивушков, Александр Викторович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработана одномерная однотемпературная макрокинетическая модель воспламенения гетерогенной системы (пористое горючее -газообразный окислитель) в условиях безнапорной вынужденной фильтрации для двухстадийной последовательной реакции.

Модель учитывает размеры и теплообмен системы с окружающей средой, изменение пористости при выгорании горючего и диффузию окислителя в движущейся газовой фазе.

Исследование модели позволило получить следующие результаты:

1. Возможны два тепловых режима протекания реакции. Низкотемпературный режим характеризуется слабыми разогревами и высокотемпературный режим характеризуется большими разогревами. Последний режим приводит к формированию фронтальных режимов.

2. При принятых кинетических характеристиках последовательной реакции, переход от низкотемпературных режимов к высокотемпературным происходит в узкой области по температуре входящего газа. Это позволило использовать для описания явления такие характеристики как критическое условие и период индукции.

3. Вблизи критической температуры реализуется режим вспышки, который не приводит к формированию фронтов температуры, но в нем достигаются значительные разогревы у правой границы.

4. Зависимость критической температуры воспламенения от массового расхода окислителя немонотонна, имеется минимум. Минимум появляется вследствие сложного влияния потока газовой фазы на воспламенение.

5. Теоретически подтверждены экспериментальные результаты [37] о том, что в надкритических режимах реализуется встречное и спутное движение фронтов температуры и концентраций.

6. Учет зависимости пористости от глубины превращения горючего изменяет численные значения критической температуры. Диффузионный транспорт не оказывает влияния на закономерности воспламенения из-за величины принятого нами массового расхода окислителя, который существенно выше диффузионного.

7. Уменьшение длины образца приводит к росту критической температуры. Это происходит из-за уменьшения времени протекания химической реакции вследствие уменьшения пребывания газовой фазы в конденсированном горючем.

8. Изменение константы скорости второй стадии незначительно влияет на критическую температуру воспламенения гетерогенной системы из-за принятого нами малого тепловыделения второй стадии, но существенно изменяет максимальную температуру в надкритическом режиме из-за уменьшения суммарного выделения тепла.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Пивушков, Александр Викторович, 2006 год

1. Bowes PC. Selfheating: evaluating and controlling the hazards. II Elsevier science publishers, New York, 1984.

2. Riley J.T., Reasoner J.W., Fatemi S.M., Yates G.S., Pfannerstill P.E., Thrasher K.J. and Williams S.M. Self-heating of coal in barges. II Proc. 9th Ann. Int. Pittsburgh Coal Conf. 1992. C. 1107-1113.

3. Kim A.G., Chaiken R.F. Relative self-heating tendencies of coal, carbonaceous shales and coal refuse. II Proc. 1990 Mining and Reclamation Conference and Exhibition. C. 535-542.

4. Семенов H.H. Цепные реакции. I 12-е изд.: M.: Наука, 1986.

5. Тодес O.M. К теории теплового взрыва. II Журнал физической химии, 1933, Т. 4, № 1,с. 78-80.

6. Конторова Т.А., Тодес О.М. К теории теплового взрыва. II Журнал физической химии. 1933, Т. 4, №1, С. 81-91.

7. Франк-Каменецкий Д.А. Распределение температур в реакционном сосуде и стационарная теория теплового взрыва. II Журнал физической химии, 1939, Т. 13, № 6, С. 738-755.

8. Апин А., Тодес О., Харитон Ю. Термическое разложение и вспышка паров метилнитрата. И Журнал физической химии, 1936, Т. 8, № 6, С. 866-882.

9. Мержанов А.Г., Дубовицкий Ф.И. Квазистационарная теория теплового взрыва самоускоряющихся реакций. И Журнал физической химии, 1960, Т. 34, № ю, С. 2235-2244.

10. Барзыкин В.В., Гонтковская В.Т., Мержанов А.Г., Худяев С.И. К нестационарной теории теплового взрыва. II Журнал прикладной механики и технической физики, 1964, № 3, С. 118-125.

11. Зельдович Я.Б., Яковлев В.И. Тепловое воспламенение закиси азота. // ДАН СССР, 1938, Т. 19, № 9, С. 699.

12. Мержанов А.Г., Боровинская И.П. СВС тугоплавких неорганических соединений. // ДАН СССР, 1972, Т. 204, № 2, С. 366-369.

13. Б.И. Хайкин. Распространение зоны горения в системах, образующих конденсированные продукты реакции. // Горение и взрыв, Материалы IV Всесоюзного симпозиума по горению и взрыву, 1974.

14. Алдушин А.П., Мержанов А.Г., Хайкин Б.И. Режимы послойного фильтрационного горения пористых металлов. II ДАН СССР, 1974, Т. 215, №3, С. 612-615.

15. Алдушин А.П., Ивлева Т.П., Мержанов А.Г., Хайкин Б.И., Шкадинский К.Г. Распространение фронта горения в пористых металлических образцах при фильтрации окислителя. Процессы горения в хим. технологии и металлургии, Черноголовка, 1975.

16. Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Володин Ю.Е. О механизме горения пористых металлических образцов в азоте. // ДАН СССР, 1972, Т. 206, №4, С. 905-908.

17. Мержанов А.Г., Боровинская И.П., Володин Ю.Е. Горение пористых образцов в газообразном азоте и синтез нитридов. Отчет ФИХФ АН СССР, Черноголовка, 1971.

18. Мержанов А.Г., Филоненко А.К., Боровинская И.П. Новые явления при горении конденсированных систем. II ДАН СССР, 1973, Т. 208, № 4, С. 892-894.

19. Филоненко А.К. Нестационарные явления при горении гетерогенных систем, образующих тугоплавкие продукты. В сб.: Процессы горения в хим. технологии и металлургии, Черноголовка, 1975, С. 258-273.

20. Буркина P.C., Козлов Е.А. Очаговое тепловое воспламенение в пористой среде в условиях естественной фильтрации газа. II ФГВ, 2001, Т. 37, №2, С. 35-41.

21. Буркина P.C. Зажигание пористого тела потоком излучения. И ФГВ, 1995, Т. 31, №6, С. 5-13.

22. Буркина P.C., Рогачева Е.Г. Особенности теплового взрыва в пористом слое при диффузии газообразного реагента. // ФГВ, 1996, Т. 32, №2, С. 100-107.

23. Сеплярский Б.С. Воспламенение конденсированных систем при фильтрации газа. II ФГВ, 1991, № 1, С. 3-12.

24. Сеплярский Б.С., Гордополова И.С. Исследование зажигания пористых веществ фильтрующимся газом (спутная нестационарная фильтрация). // ФГВ, 1999, Т. 35, № 1, С. 49-59.

25. Сеплярский Б.С. Закономерности зажигания пористых тел в условиях встречной нестационарной фильтрации газа. // ФГВ, 2000, Т. 36, №4, С. 31-40.

26. Шкадинский К.Г., Струнина А.Г., Фирсов А.Н., Демидова J1.K., Костин C.B. Математическое моделирование горения пористых малогазовых составов. // ФГВ, 1991, Т. 27, №5, С. 84-91.

27. Шкадинский К.Г., Озерковская Н.И. Тепловой взрыв в системах пористая среда газообразный реагент - твердый продукт. // ДАН, 2000, Т. 373, №1, С. 62-72.

28. Шкадинский К.Г., Озерковская H.H., Мержанов А.Г. Фильтрационно-химическое взаимодействие в системах "пористый реагент -активный газ твердый продукт". II ДАН, 2001, Т. 378, №6, С. 784789.

29. Шкадинский К.Г., Озерковская Н.И., Мержанов А.Г. Постиндукционные процессы при тепловом взрыве в системах "пористая среда газообразный реагент - твердый продукт". II ДАН, 2001, Т. 381, №6, С. 763-769.

30. Carras J.N., Young B.C. Self-heating of coal and related materials: models, application and test methods. II Prog. Energy Combust. Sci, 1994, V. 20, № 1,P. 1-15.

31. Chen X.D., Stott J.B. Oxidation rates of coals as measured from one-dimensional spontaneous heating. П Combustion and Flame, 1997, V. 109, № 4, P. 578-586.

32. Wang H., Dlugogorski B.Z., Kennedy E.M. Kinetic modeling of low-temperature oxidation of coal. II Combustion and Flame, 2002, V. 131, P. 452-469.

33. Самарский A.A., Попов Ю.П. Разностные методы решения задач газовой динамики. //М.: Наука, 1992.

34. Пивушков А.В., Перегудов Н.И., Самойленко Н.Г. Режимы воспламенения гетерогенных систем. И Химическая физика, 2005, Т. 24, №. 2, С. 82-87.

35. Рафеев В.А., Самойленко Н.Г., Авдонин В.В., Кирпичев Е.П., Штейнберг В.Г., Манелис Г.Б. Воспламенение угля в фильтрационном режиме. П Химическая физика, 2001, Т. 20, № 7, С. 26-29.

36. Пивушков А.В., Перегудов Н.И., Самойленко Н.Г. Влияние характеристик гетерогенной системы на ее воспламенение. П Химическая физика, 2007, Статья принята в печать.