Публикация доступна для обсуждения в рамках функционирования постоянно

действующей интернет-конференции “Бутлеровские чтения”. http:///readings/

  Поступила в редакцию 17 июня 2013 г. УДК 536.4.

Экспериментальное исследование закономерностей испарения тонкораспыленной воды при движении через высокотемпературные продукты сгорания

© Волков+ Роман Сергеевич, ,

и Стрижак* Павел Александрович

Национальный исследовательский Томский политехнический университет.

пр. Ленина, 30. г. Томск, 634050. Россия. Тел.: (3822) 70-17-77, доп. 1957. E-mail: *****@***ru

_______________________________________________

*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку

Ключевые слова: испарение, тепломассоперенос, продукты сгорания, пламя, капли, тонкораспыленная вода, поля скоростей.

Аннотация

Проведено экспериментальное исследование интегральных характеристик испарения тонкорас-пыленной воды при движении через высокотемпературные продукты сгорания. Определены масштабы изменения скорости, массы и характерных размеров водяных капель при прохождении через пламя фиксированной высоты. Установлены параметры распыления воды, при которых обеспечивается полнота ее испарения.

Введение

Заключения о возможном существенном повышении эффективности ликвидации очагов возгораний с использованием тонкораспыленных флегматизаторов горения достаточно часто обсуждаются в последние годы [1-8].

Эти заключения сформулированы на основе общих представлений об условиях проте-кания физико-химических процессов, реализуемых в системе «флегматизатор горения – пламя», и решений задач в рамках упрощенных математических моделей.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

В тоже время достаточно часто подчеркивается [9-11] необходимость фундаментального исследования фазовых переходов, химического реагирования и процессов тепломассопе-реноса в таких системах при различных параметрах пламени и флегматизатора горения.

В последние годы разработана группа физических и математических моделей тепло-массопереноса с учетом фазовых переходов для нескольких типичных систем «флегматизатор горения – пламя» [12-20].

Установлены интегральные характеристики испарения одной, двух и совокупности капель жидкости при ее движении через пламя [12-17]. Определены [18-20] зависимости тем-пературы и концентрации продуктов сгорания от параметров распыления флегматизатора горения (размеры и скорости движения капель, а также предельные расстояния между сосед-ними каплями).

Целесообразным является проведение экспериментального исследования испарения распыленной воды с целью оценки правомерности теоретических заключений [12-20].

Целью настоящей работы является экспериментальное исследование макроскопических закономерностей испарения тонкораспыленной воды при движении через высокотемпера-турные продукты сгорания.

Экспериментальная часть

При выполнении экспериментов использована схема, предусматривающая распыление рабочей жидкости с определённой высоты в зону пламени (рис. 1). Для повышения контрастности видеокадров использовалась вода с небольшим количеством примесей (до 0.5%) наночастиц диоксида титана – «трассеров».

а)

б)

Рис. 1. Схема экспериментальной установки №1 (а, б – видеорегистрация капель до и после зоны пламени):  1 – ПК; 2 – синхронизатор ПК, кросскорреляционной камеры и лазера; 3 – генератор лазерного излучения; 4 – двойной твердотельный импульсный лазер; 5 – кросскорреляционная камера; 6 – световой «нож»; 7 – ёмкость с рабочей жидкостью; 8 – рабочая жидкость; 9 – дозатор;

10 – штатив; 11 – капли рабочей жидкости; 12 – канал движения вспомогательной охлаждающей

жидкости; 13 – цилиндр из жаростойкого светопрозрачного материала; 14 – полый цилиндр,

во внутреннее пространство которого залита горючая жидкость; 15 – термопары

Рабочая жидкость 8 из емкости 7 подавалась в распылитель 9, который использовался для формирования потока тонкораспыленной воды (рис. 1). Для регистрации видеограмм с изображениями движущихся капель применялась измерительная PIV-система, состоящая из генератора лазерного излучения 3, двойного твердотельного импульсного лазера 4, кросскорреляционной камеры 5, синхронизатора 2 и ПК 1 со специализированным программным обеспечением, позволяющим кадрировать результаты съёмки (задержка между кадрами составляла 100 мс) и строить поля скоростей двухфазного потока в рабочей области.

Особенности использования типичных диагностических PIV-систем и соответствующих измери-тельных методик описаны в [21]. Скорости, линейные размеры и концентрации капель определялись по результатам обработки видеограмм.

Серии экспериментов проводились за короткие интервалы времен, что позволило максимально снизить расхождение условий проведения экспериментов отдельных серий, а также обеспечить посто-янство состава рабочей жидкости и продуктов сгорания от эксперимента к эксперименту.

Усреднение результатов измерений достигалось за счет того, что каждая серия содержала пять экспериментов по 180-210 видеокадров в каждом.

В качестве интегральных параметров, характеризующих движение капель тонкораспыленной воды через пламя, приняты скорость, масса и концентрации капель жидкости в рабочей области.

Фиксировались изображения капель и строились поля скоростей на входе в цилиндр 13 (при отсутствии пламени), а также на выходе последнего (как при отсутствии, так и при наличии пламени).

Для повышения качества видеосъемки применена процедура лазерного подсвечивания траектории движения пароводяного потока. Для повышения контрастности изображений капель при лазерной подсветке в воду были введены «трассирующие» частицы нанодиоксида титана.

Постоянство размеров и концентраций водяных капель в серии опытов обеспечивалось соответствующими настройками распылителя рабочей жидкости 9. Размеры капель рабочей жидкости варьировались в пределах 0.075 < R < 0.375 мм. В экспериментальной установке (рис. 1) группа водяных капель вводилась в цилиндрический канал, высота которого составляла 1 м.

Цикл опытов включал в себя три серии по пять экспериментов в каждой. В первой серии экспериментов фиксировались изображения потока водяных капель на входе в цилиндрический канал при отсутствии пламени в последнем.

Затем регистрировались изображения потока капель после прохождения им канала при отсутст-вии пламени (вторая серия), а также после прохождения зоны высокотемпературных продуктов сгорания типичного жидкого топлива – керосина (третья серия).

Области съемки группы капель рабочей жидкости подсвечивались лазерным «световым ножом» 6. Изображения капель фиксировались кросскорреляционной камерой 5, фокус которой был направлен перпендикулярно «световому ножу».

Температура продуктов сгорания в третьей серии экспериментов контролировалась хромель-копелевыми термопарами 15.

Использовалась методика термопарных измерений [22]. Измерения температуры выполнялись на разных отметках по высоте в зоне движения продуктов сгорания. Температура продуктов сгорания (пламени) составила 1070±30 К.

После проведения цикла экспериментов видеокадры обрабатывались с использованием спе-циализированного программного обеспечения.

Строились поля скоростей тонкораспыленной жидкости в рабочей области. Обработка видео-изображений основана на кросскорреляционном алгоритме, представляющем метод быстрого преобразования Фурье с добавлением условий выполнения корреляционной теоремы [21]. Для уменьшения числа случайных корреляций, связанных с эффектом «потери пары» [21], применялось наложенное «Top-hat» окно.

При построении полей скорости на основе полученных видеограмм определялись концентрации капель тонкораспыленной жидкости, их геометрические размеры и масса. Для оценки изменения характеристик водяных капель последние условно разделены на три группы: «малые» – 0.075 < Rм < 0.175 мм; «средние» – 0.175 < Rc < 0.275 мм; «большие» – 0.275 < Rб < 0.375 мм.

Погрешности определения размеров капель согласно методике [21] составили не более 0.001 мм. Анализ результатов серии экспериментов показал, что случайные погрешности измерения массы капель, оцениваемые по методике [23], для рассматриваемой установки (рис. 1) не превысили 1%.

Среднеквадратичные отклонения массы в серии опытов составили меньше 0.00006 г. Установ-ленные значения отклонений R и m можно считать приемлемыми для исследования рассматриваемых процессов и фазовых переходов.

Также дополнительно проведена серия экспериментов (рис. 2) для сравнения времён испарения капель воды без примесей «трассирующих» частиц и двухкомпонентной рабочей жидкости (с добав-ками нанодиоксида титана).

Влияние нанодиоксида титана на интегральные характеристики испарения воды определялось теневым методом [24]. Капли рабочей жидкости освещались равномерным светом с последующей фиксацией формы (как следствие, динамики изменения размеров) капли по её «тени».

При помощи автоматической системы дозирования, позволяющей формировать объекты иссле-дования одинакового объёма, капли помещались на металлическую (медь) подложку, нагрев которой осуществлялся при помощи спирали (напряжение подавалось от лабораторного автотрансформатора).

Рис. 2. Схема экспериментальной установки №2: 1 – источник света; 2 – матовой стекло; 3 – щель;

4 – коллимирующая линза; 5 – держатель для металлической подложки (с отверстием, в котором размещена нагревательная спираль); 6 – конденсирующая линза; 7 – непрозрачный щит с отверстием; 8 – камера с объективом; 9 – подложка; 10 – капля; 11 – лабораторный автотрансформатор;

12 – автоматический дозатор; 13 – шланг для подвода исследуемой жидкости

непосредственно к подложке; 14 – ПК

Температура подложки регистрировалась хромель-копелевой термопарой и составляла 328±2 К.

Изображение «тени» капли фиксировалось видеокамерой. Процесс испарения считался завер-шённым в момент исчезновения «тени» капли. Проводилась видеосъемка процесса испарения высо-коскоростной камерой (до 50 кадров в секунду) для обеспечения возможности выделения различных эффектов при анализе видеокадров.

Случайные погрешности экспериментов по испарению капель на подложке (рис. 2), вычис-ленные аналогично основному эксперименту, составили 2.7% (вода) и 1.1% (смесь воды и нано-порошка TiO2). Систематические погрешности, оцениваемые по методике [25], при погрешностях видеокамеры 0.025%, хромель-копелевой термопары 0.172% и дозатора 0.5% не превысили 0.3%.

Результаты и их обсуждение

Полученные при проведении цикла опытов типичные видеокадры потока тонкораспы-ленной жидкости, а также соответствующие им поля скоростей приведены на рис. 3-5.

Из представленных видеокадров и полей скоростей установлено, что при отсутствии в цилиндрическом канале продуктов сгорания (пламени) изображения потока капель рабочей жидкости на входе (рис. 3) и выходе (рис. 4) канала практически идентичны, а поля скоростей показывают, что при прохождении цилиндра 13 скорости капель в 1.5 раза возрастают относительно начальных. После прохождения распыленной водой высокотемпературной зоны пламени (рис. 5) общая концентрация водяных капель значительно (в несколько раз) снижа-ется, а скорость двухфазного пароводяного потока уменьшается (табл. 1).

Отличие видеограмм с изображениями тонкораспыленной жидкости на входе (рис. 3) и выходе (рис. 4) из рабочего канала без пламени можно объяснить осаждением определенного количества капель (до 8-10%) на стенках цилиндра 13 (рис. 1).

Распылитель в экспериментальной установке настраивался таким образом, чтобы запол-нить цилиндрический канал 13 равномерно. Поэтому высока вероятность осаждения на внутренней поверхности (стенке) канала капель рабочей жидкости, движущихся на пери-ферии потока.

По полученным видеограммам и полям скоростей оценены основные параметры испа-рения тонкораспыленной жидкости, движущейся в виде совокупности капель через пламя. Результаты приведены в табл. 1 (группа 1 – «малые» капли, группа 2 – «средние» капли, группа 3 – «большие» капли).

Установлено, что при прохождении капель с характерными размерами 0.075 < Rср < 0.375 мм расстояния в 1 м (высота канала, заполненного высокотемпературными продуктами сгорания), концентрация их в потоке бср существенно снижается относительно начальной (рис. 3-5).

Среди прошедших через высокотемпературный поток капель жидкости практически отсутствуют крупные капли с размерами Rб > 0.275 мм, а поток на 94.3% (суммарная концентрация бср для капель групп №1 и 2) состоит из «малых» и «средних» капель (рис. 5).

а)

б)

Рис. 3. Видеограмма (а) и поле скорости (б) потока капель на входе в канал (масштаб 2:1)

а)

б)

Рис. 4. Видеограмма (а) и поле скорости (б) потока капель

на выходе из канала при отсутствии пламени (масштаб 2:1)

а)

б)

Рис. 5. Видеограмма (а) и поле скорости (б) потока капель

после прохождения зоны горения (масштаб 2:1)

Этот результат можно объяснить тем, что в процессе испарения при прохождении зоны высокотемпературных продуктов сгорания масса «больших» капель mср уменьшается на 70%.

В таких условиях на выходе из рабочего канала 13 (рис. 1) их можно отнести к группе «средних». Масса «средних» капель mср уменьшается на 85%, и их можно отнести к группе «малых». «Малые» капли, попадая в высокотемпературную область, испаряются полностью (mср → 0 и Rср → 0).

Табл. 1. Средние значения параметров испарения капель распыленной рабочей жидкости


Наименование

параметра

№

группы

На входе

в канал

На выходе из канала
(без пламени)

На выходе из канала
(с пламенем)

Rср, мм

1

0.132

0.125

0

2

0.215

0.199

0.114

3

0.302

0.273

0.204

mср, г

1

0.958∙10-5

0.830∙10-5

0

2

4.134∙10-5

3.325∙10-5

0.622∙10-5

3

11.523∙10-5

8.574∙10-5

3.566∙10-5

бср, %

1

44.27

30.00

43.07

2

40.13

54.67

51.20

3

15.47

15.33

5.73

гср, ед/см3

1

54.864

37.128

1.029

2

49.331

72.605

1.234

3

18.948

14.026

0.137

гобщ, ед/см3

123.333

123.759

2.401

хср, м/с

0.697

0.878

0.479

Rср – средний радиус, мм; mср – средняя масса, г; бср и гср – средняя относительная концентрация в %

и ед/см3 соответственно; гобщ – общая концентрация в рабочей области, ед/см3; хср – средняя скорость, м/с.

Также эксперименты показали, что некоторая доля (около 15-20%) «малых» и «средних» капель, движущихся во фронте потока, уносится с уходящими дымовыми газами на входе в канал (не попадая в область горения). Это можно объяснить как высокими температурами пла-мени, так и относительно высокими скоростями восходящих продуктов сгорания (до 0.3 м/c).

По результатам серий выполненных экспериментов (табл. 1) можно сделать вывод о существенном изменении внутренней структуры двухфазного парожидкостного потока при движении через высокотемпературные газы (продукты сгорания). Так, например, на входе в канал зарегистрирована следующая относительная концентрация капель бср (группа 1 – 44.27%, группа 2 – 40.13%, группа 3 – 15.47%).

На выходе соответствующие значения бср составили: группа 1 – 43.07%, группа 2 – 51.20%, группа 3 – 5.73%. Этот результат показывает, что при увеличении высоты пламени (длины пути распыленной жидкости в области высокотемпературных газов) значительно воз-растает концентрация бср для группы «малых» капель, а для «больших» и «средних» бср → 0.

Поэтому для полноты испарения распыленной жидкости целесообразно параметры распыления (в частности, Rср) выбирать исходя из характерных размеров областей, запол-ненных высокотемпературными газами (в частности, пламен).

Анализ табл. 1 показывает, что скорости капель на выходе из области горения хср снижаются на 0.217 м/с относительно скоростей на входе в канал. Также установлено, что скорости хср существенно (45.4%) меньше скоростей на выходе канала без пламени. Это обусловлено как движением продуктов сгорания, так и интенсивным фазовым переходом при парообразовании. Полученный результат хорошо коррелирует с зависимостями, полученными при проведении численного моделирования [16-20] для скоростей и характерных времен существования водяных капель.

В результате численных исследований [13] показано, что большую роль при движении капель рабочей жидкости через высокотемпературные газы играет их положение относи-тельно друг друга.

Из анализа изотерм и изолиний концентраций продуктов сгорания установлено [13], что при последовательном движении нескольких капель первые из них создают условия для существенного снижения скоростей испарения последующих капель.

В серии выполненных экспериментов (рис. 1) также выявлена аналогичная закономер-ность. На рис. 6 приведена видеограмма, на которой видно, что относительно большие капли рабочей жидкости располагаются в следе существенно меньших капель.


Рис. 6. «Тандемы» капель на выходе из зоны пламени (масштаб 8:1):

1, 2 – предыдущие и последующие капли соответственно

Полученный результат можно объяснить тем, что капли при испарении существенно снижают темпера-туру смеси продуктов сгорания и водяных паров в своем следе (при энергозатратном фазовом переходе).

Испарение последующих капель в таких условиях замедляется. В условиях высоких температур при паро-образовании скорости движения капель (особенно во фронте потока) замедляются (табл. 1). Как следствие, расстояния между предыдущей и последующей каплями уменьшаются.

Этим можно объяснить то, что на рис. 6 некоторые «малые» (предыдущие) и «большие» (последующие) капли практически «сливаются» в одну – видно нес-колько объединенных центров. По сформулированным причинам каждая последующая капля потока рабочей жидкости медленнее испаряется и проходит сущест-венно больший путь [13].

Для оценки влияния на характеристики испарения капель наличия в них примеси «трассирующих» частиц выполнено сравнение характерных времен испарения капель воды с TiO2 и чистой воды.

Исследования выполнены с использованием экспериментальной установки, схема которой приведена на рис. 2. Температура нагреваемой металлической подложки выбиралась из условия длительного протекания фазового перехода (до 100 с) с целью исследования его закономерностей.

С использованием видеограмм определялись скорости изменения размеров капель по их «тени» и фиксировались времена полного испарения фи. На рис. 7 приведены типичные видеограммы для описанного дополнительного эксперимента. Значения времён полного испарения капель воды и двухкомпонентной жидкости (с концентрацией TiO2 0.5%, соот-ветствующей основному эксперименту) приведены в табл. 2.

а)

б)

Рис. 7. Видеограммы испаряющихся одиночных капель воды без примесей (а)

и с примесью нанодиоксида титана (б) при ф = 1 с и начальном размере

Rк = 3.52 мм: 1 – нагретая металлическая подложка, 2 – капля

Серия опытов показала, что отклонения по характерным временам испарения капель воды и смеси с нанопорошком TiO2 не превышают 0.62% (табл. 2).

Табл. 2. Времена полного испарения капель воды (фи) и смеси воды с нанодиоксидом титана (фи*)


№ опыта

фи, с

фи*, с

№ опыта

фи, с

фи*, с

1

100.76

101.00

4

104.12

102.12

2

105.56

104.20

5

99.37

101.73

3

97.50

101.32

6

102.41

103.15

Небольшое превышение времён испарения смеси воды с TiO2 относительно воды без примесей обусловлено наличием осадка нанопорошка вблизи границы контакта капли с подложкой (нанодиоксид титана не растворим в воде [26]). Таким образом, передача тепла от подложки к капле происходила через промежуточный слой, который поглощал некоторое количество энергии. Анализ группы видеокадров позволил установить, что толщина слоя TiO2 не превышала 0.01Rк вследствие небольшой концентрации примеси в капле воды (0.5%).

Оценивая результаты серии дополнительных опытов (табл. 2), можно сделать вывод о соответствии установленных в основном эксперименте закономерностей испарения рабочей жидкости наиболее типичному флегматизатору горения – воде.

Выводы

Установлено, что при прохождении через высокотемпературные (1070±30 К) продукты сгорания (пламя высотой 1 м) доля испарившейся воды для «больших» капель с харак-терными начальными размерами 0.275 < Rб < 0.375 мм и массой 8.707∙10-5 < mб < 22.078∙10-5 г составляет 70%. Для «средних» капель при 0.175 < Rс < 0.275 мм и 2.244∙10-5 < mс < 8.707∙10-5 г – 85%. «Малые» капли при 0.075 < Rм < 0.175 мм и 0.177∙10-5 < mм < 2.244∙10-5 г испаряются полностью. Для обеспечения полноты испарения воды при движении через пламя высотой 1 м целесообразно ее распылить до достижения размеров капель Rопт ˂ 0.175 мм. Для пламен с высотами более 1 м можно рекомендовать, в первую очередь, увеличение не размеров, а концентрации капель в потоке распыленной жидкости.
Скорость движения распыленной воды через пламя значительно снижается относительно начальной. Так, при характерных размерах 0.075 <  R < 0.375 мм и массе 8.707∙10-5 < m < 22.078∙10-5 г капель скорости их движения уменьшаются на 31% относительно начальных (хср = 0.697 м/с).
Установлено существенное влияние парообразования предыдущих капель воды в потоке на скорость испарения последующих. Показано хорошее соответствие результатов выполненных опытов полученным ранее результатам численного моделирования испарения «тандема» капель воды при движении через продукты сгорания.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ (МК-620.2012.8).

Литература

R. Wighus. Water mist fire suppression technology – status and gaps in knowledge. Proceedings of the international water mist conference. Vienna. 2001. P.1-26. A. I. Karpov, V. B. Novozhilov, A. A. Galat, V. K. Bulgakov. Numerical modeling of the effect of fine water mist on the small scale flame spreading over solid combustibles. Fire safety science: proceeding of eight international symposium. 2005. Vol.27. P.753-764. , , Камышев водяное пожаротушение с применением тонкораспыленной воды на электростанциях. Энергетик. 2008. №6. С.37-38. , , Ворогушин тонкораспыленной воды для тушения пожаров в высотных зданиях. Вестник МГСУ. 2011. Т.2. №1. С.331-335. Саламов система пожаротушения «водяной туман» высокого давления. Энергетик. 2012. №3. С.16-18. , Пелех пожаротушения тонкораспыленной водой. Проблемы управления рисками в техносфере. 2012. Т.21. №1. С.64-69. , , Кудрявцев закономерностей тушения тонкораспыленной водой модельных очагов пожара. Пожарная безопасность. 2008. №4. С.45-58. , Журавлева направления тушения низовых лесных и степных пожаров. Научная жизнь. 2012. №4. С.153-157. , , Ловчинский распространения жидкостной струи в атмосфере. Пожаровзрывобезопасность. 2011. №12. С.45-48. , , Еремин методов компьютерного моделирования процесса распыления из оросителя тонкораспыленной воды. Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т.21. №10. С.77-80. , , Еремин методов численного моделирования в проектировании оросителей автоматических установок пожаротушения тонкораспыленной водой. Пожаровзрывобезопасность. 2013. Т.22. №2. С.78-84. , , Стрижак оценка оптимальных размеров капель воды в условиях ее распыления средствами пожаротушения в помещениях. Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т.21. №5. С.74-78. , , Стрижак исследование тепломассопереноса при движении «тандема» капель воды в высокотемпературной газовой среде. Тепловые процессы в технике. 2012. Т.4. №12. С.531-538. Стрижак исследование условий испарения совокупности капель воды при движении в высокотемпературной газовой среде. Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т.21. №8. С.26-31. , , Стрижак исследование условий взаимодействия диспергированного флегматизатора горения с высокотемпературными продуктами сгорания. Безопасность труда в промышленности. 2012. №10. С.74-79. , , Стрижак при взаимодействии диспергированного флегматизатора горения с высокотемпературными продуктами сгорания. Бутлеровские сообщения. 2012. Т.31. №8. С.86-94. Стрижак анализ процесса испарения капли, движущейся в струе воды через высокоскоростные продукты сгорания. Пожаровзрывобезопасность. 2012. Т.21. №9. С.17-23. , , Стрижак при движении капель воды в высокотемпературной газовой среде. Инженерно-физический журнал. 2013. Т.86. №1. С.59-65. , , Стрижак распределения капель воды в «водяном снаряде» на температуру в его следе. Пожаровзрывобезопасность. 2013. №2. С.9-17. , Стрижак формы капли воды на результаты математического моделирования ее испарения при движении через высокотемпературные продукты сгорания. Тепловые процессы в технике. 2013. №6. С.254-261. M. Raffel, C. Willert, J. Kompenhans. Particle image velocimetry. Berlin: Springer Verlag. 1998. 253p. , Юрьевич защита. М.: Энергия. 1976. 391с. еория инженерного эксперимента. М.: Мир. 1972. 381с. , , Ринкевичюс рефрактография. М.: Физматлит. 2008. 176с. Зайдель оценки ошибок измерений. Академия Наук СССР. Л.: Наука. 1968. 96с. , , Роот физико-химических свойств нанопорошков и наноматериалов. Томск: Издат-во ТПУ. 2012. 196с.