Конвективный тепломассоперенос при зажигании полимерного материала локальным источником нагрева (стр. 4 )

Полученные распределения (рис. 2-4) показывают достаточно существенные отличия газофазного механизма зажигания ПМ в условиях конвекции по сравнению с диффузионной моделью тепломассопереноса [10] при воспламенении полимера.

Так установлено, что зажигание происходит в малой по размерам газовой области над частицей в районе оси симметрии (рис. 2). Это можно объяснить тем, что температура продук-тов термической деструкции ПМ в условиях конвекции ниже температуры, соответствующей началу химической реакции их окисления, а интенсивность процесса массопереноса выше по сравнению со скоростью движения газов при диффузии [10]. Вследствие этого продукты пиролиза в условиях конвекции быстрее удаляются от поверхности полимера и медленнее нагреваются при теплообмене с боковыми гранями частицы. В результате газы достигают максимальных температур (рис. 2, 3) и массовых концентраций (рис. 4) только над частицей.

На рис. 3 хорошо заметно снижение температуры частицы на границе с ПМ за счет теплоотвода. При газификации полимера происходит поглощение энергии термического разложения, поэтому падение температуры на границе y = Y1 максимально. На границах контакта с воздухом процесс теплоотдачи от частицы проходит менее интенсивно, вследствие этого наблюдается меньшее изменение температуры частицы в указанных областях.

Рис. 3. Изотермы системы «стальная частица – полимерный материал – окислитель»

в момент зажигания (τd = 0.381) при Θp = 1.5, Lр = 0.2, Hр = 0.1: 2 – стальная частица,

3 – ПМ, 4 – смесь продуктов газификации с окислителем

Рис. 4. Распределение концентраций продуктов пиролиза ПМ

по X в момент зажигания (τd = 0.381) при Y = 0.4

Также установлено, что времена задержки зажигания ПМ при переносе продуктов пиро-лиза вещества в среде окислителя за счет диффузии и конвекции превышают аналогичные τd, полученные с применением диффузионной модели тепломассопереноса [9]. В последнем случае скорость зажигания определяется изменением концентраций горючего в газовой фазе. Так как для реализации условий воспламенения достаточно 10-15% продуктов пиролиза ПМ, то такие градиенты концентраций достигаются относительно быстро (значения τd минимальны). При совместном влиянии конвекции и диффузии скорость протекания исследуемого процесса (рис. 1) характеризуется в большей степени не диффузионным переносом, а переносом тепла вместе с газами горючего за счет конвекции. Этот процесс является существенно нелинейным и неста-ционарным, что усложняет механизм зажигания и приводит к смещению пороговой темпера-туры зажигания в сторону увеличения (до 1.4).

Установлено, что в отличие от твердых топлив и жидких конденсированных веществ [4, 8] невозможна реализация нескольких режимов зажигания ПМ. Для жидкостей, например, установлено [8], что как в системах с тонкими пленками, так и большими массивами возможны три режима, отличающиеся интервалами изменения времен задержки зажигания и положением ведущей химической реакции окисления относительно границы контакта источ-ника нагрева с веществом. Для твердых топлив также установлены [4] три режима зажигания. Для систем (рис. 1) с ПМ установлено либо выполнение условий зажигания (при Θp > 1.4), либо отсутствие возгорания (при Θp < 1.4 происходит газификация с последующим затуха-нием процесса).

Важно отметить, что достигающиеся при газификации ПМ концентрации горючих газов (водород, метан, этан, пропан, бензол, стирол и пр.) близки к предельно допустимым (ПДК) [23]. Такие результаты указывают на большую опасность взаимодействия локальных источни-ков нагрева с ПМ по сравнению с твердыми топливами, даже при отсутствии непосредст-венного возгорания.

Выводы

Проанализирован комплекс взаимосвязанных процессов тепломассопереноса с физико-химическими превращениями при зажигании смеси продуктов термической деструкции полимерного материала (ПМ) и окислителя локальным источником ограниченной энергоем-кости. Показана целесообразность учета диффузионно-конвективного тепломассопереноса при детальном исследовании условий зажигания ПМ.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федера-ции (МК-330.2010.8).

Литература

[1]  , , Максимов модельных смесевых топливных композиций одиночной нагретой до высоких температур частицей. Физика горения и взрыва. 2008. Т.44. №5. С.54-57.

[2]  , , Максимов дизельного топлива одиночной «горячей» металлической частицей. Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т.17. №4. С.28-30.

[3]  , , Максимов зажигания бензина одиночной нагретой до высоких температур металлической частицей. Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т.17. №5. С.39-42.

[4]  , , Таратушкина моделирование зажигания конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей. Физика горения и взрыва. 2004. Т.40. №1. С.78-85.

[5]  , Микова зажигание реакционноспособного вещества горячей инертной частицей с конечным запасом тепла. Физика горения и взрыва. 2009. Т.45. №2. С.40-47.

[6]  , Барановский моделирование зажигания слоя лесных горючих материалов нагретой до высоких температур частицей. Пожаровзрывобезопасность. 2006. Т.15. №4. С.42-46.

[7]  Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Heat and mass transfer at the ignition of a liquid substance by a single «hot» particle. Journal of Engineering Thermophysics. 2008. Vol.17. №3. P.244-252.

[8]  , Стрижак накаленной одиночной частицей жидких углеводородных топлив. Известия Томского поли­технического университета. 2008. Т.312. №4. С.5-9.

[9]  , Зайков полимерных материалов. М.: Наука. 1981. 280с.

[10]  , Стрижак полимерного материала одиночной нагретой до высоких температур частицей. Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т.20. №9. С.3-8.

[11]  Vilyunov V. N., Zarko V. E. Ignition of Solids. Amsterdam: Elsevier Science Publishers. 1989. 442p.

[12]  Дж. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир. 1980. 618с.

[13]  Франк–Каменецкий и теплопередача в химической кинетике. М.: Наука. 1987. 502с.

[14]  , , Чудов моделирование процессов тепло – и массообмена. М.: Наука. 1984. 288с.

[15]  Естественная конвекция: тепло – и массообмен. М.: Мир. 1983. 399с.

[16]  Kuznetsov G. V., Sheremet M. A. Conjugate heat transfer in an enclosure under the condition of internal mass transfer and in the presence of the local heat source. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. Т.52. №1-2. С.1-8.

[17]  Kuznetsov G. V., Sheremet M. A. Conjugate natural convection with radiation in an enclosure. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2009. Т.52. №9-10. С.2215-2223.

[18]  Варгафтик по теплофизическим свойствам газов и жидкостей. М.: . 2006. 720с.

[19]  , Шеремет теплоперенос в замкнутой области с локально сосредоточенным источником тепловыделения. Инженерно-физический журнал. 2006. Т.79. №1. С.56–63.

[20]  , Шеремет задача естественной конвекции в прямоугольной области при локальном нагреве и теплопроводных границ конечной толщины. Известия РАН. Механика жидкости и газа. 2006. №6. С.29-39.

[21]  , Иванников полимерных материалов. М.: Стройиздат. 1992. 110с.

[22]  Теплотехнический справочник. Под ред. , . М.: Энергия. 1975. Т.1. 744с.

[23]  ГОСТ 12.1.005–88. Система стандартов безопасности труда. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. М.: Стандартинформ. 2006. 49с.