УДК 536.468
Экспериментальное исследование интегральных характеристик зажигания смеси воздуха с парами типичного жидкого топлива неподвижным разогретым металлическим стержнем
© , +,
и *
Национальный исследовательский Томский политехнический университет.
пр. Ленина, 30. г. Томск, 634050. Россия.
Тел.: (3822) 701-777, доп. 1957. E-mail: *****@***ru
_______________________________________________
*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку
Ключевые слова: зажигание, тепломассоперенос, испарение, окисление, жидкое топливо, разогретый стержень, время задержки зажигания.
Аннотация
Выполнено экспериментальное исследование процесса зажигания паров типичного жидкого топлива – бензина локальным источником нагрева. Рассмотрены условия взаимодействия продуктов испарения горючего вещества с разогретым до высоких температур неподвижным стальным стержнем при непосредственном контакте конденсированного вещества с источником энергии и при его расположении на некотором расстоянии от границы испарения. Определены значения основной интегральной характеристики процесса – времени задержки зажигания. Установлено значение предельной (минимальной) температуры локального источника, при которой в системе «металлический стержень – горючая жидкость – парогазовая смесь» происходит зажигание. Получена зависимость времени задержки зажигания смеси воздуха с парами бензина от расстояния между стальным стержнем и поверхностью испаряющегося топлива. Проведено сопоставление экспериментальных результатов с известными следствиями численных исследований.
Введение
Результаты теоретических и экспериментальных исследований процессов тепломассопереноса при зажигании жидких конденсированных веществ (КВ) [1–3], полимерных материалов [4–6], смесевых [7–9] и гелеобразных [10, 11] топлив показали, что одиночные нагретые до высоких температур металлические и неметаллические частицы малых размеров, проволочки, металлические стержни являются источниками «гарантированного» зажигания конденсированных веществ при их непосредственном тепловом контакте. Установлены оптимальные (по времени зажигания) и предельные (по температуре источника) условия воспламенения конденсированных веществ. При численном моделировании процессов зажигания жидкостей и парогазовых смесей локальными источниками энергии (в том числе движущимися над поверхностью топлива) было выявлено [12–14], что в отличие от твердых и гелеобразных высокоэнергетических материалов нагрев жидких топлив пожароопасен даже при отсутствии контакта между конденсированным веществом и источником энергии. Это объясняется интенсивным испарением широко распространенных жидких топлив и формированием горючих парогазовых смесей над поверхностью веществ при температуре окружающего воздуха 280ч310 К.
В работах [12–14] показано, что газофазное зажигание в системе «металлический стержень – горючая жидкость – парогазовая смесь» характеризуется высокой скоростью реакции окисления продуктов испарения конденсированного вещества. Исследование таких процессов без применения специальных высокоскоростных диагностических программно-технических комплексов затруднено. В опубликованных ранее результатах экспериментальных исследований условий воспламенения паров горючей жидкости металлическими частицами [15], выполненных по методике [16], было установлено, что зажигание возможно при формировании «подготовленной» смеси (необходимая для зажигания концентрация продуктов испарения горючей жидкости достигается в закрытом пространстве). Представляет интерес экспериментальное исследование тепломассопереноса и условий взаимодействия «неподготовленной» парогазовой смеси (при испарении горючего вещества в условиях естественной конвекции воздуха) локальным источником энергии с использованием высокоскоростных программно-технических комплексов диагностики потоков.
Цель работы – экспериментальное исследование интегральных характеристик зажигания смеси воздуха с продуктами испарения типичного жидкого конденсированного вещества неподвижным разогретым до высоких температур металлическим стержнем и сопоставление полученных результатов с теоретическими следствиями [12–14].
Схема экспериментальной установки и методы исследования
Экспериментальные исследования выполнены на установке, схема которой приведена на рис. 1. Ее основными элементами являются кросскорреляционная видеокамера (формат изображения – 2048x2048 пикселей, кадровая частота – не менее 1,5 Гц, минимальная задержка между двумя последовательными кадрами – не более 5·10-6 с), двойной импульсный твердотельный лазер с активной сферой «алюмо-иттриевый гранат» и добавками неодима (длина волны – 532·10-9 м, энергия в импульсе – не менее 70·10-3 Дж, длительность импульса – не более 12·10-9 с, частота повторений – не более 15 Гц), синхронизирующий процессор (дискретизация сигналов – не более 10·10-9 с, режимы внешнего и внутреннего запуска).
Рис. 1. Схема экспериментальной установки:
1 – персональный компьютер; 2 – синхронизатор персонального компьютера, кросскорреляционной камеры и лазера; 3 – генератор лазерного излучения; 4 – двойной твердотельный импульсный лазер;
5 – кросскорреляционная камера; 6 – световой «нож»; 7 – ёмкость с жидким конденсированным веществом; 8 – штатив; 9 – подвес; 10 – стальной стержень; 11 – канал движения охлаждающей жидкости лазера
В качестве объекта исследования рассматривалось типичное жидкое топливо – бензин с октановым числом 92, в качестве источника энергии – металлический (сталь) стержень длиной lp=0,1 м и радиусом rp=3·10-3 м. При планировании эксперимента была принята следующая схема исследуемого процесса (рис. 2). Нагретый в печи по методике [16] стержень 10 до температуры Tp=1353 К при помощи штатива 8 и подвеса 9 неподвижно фиксировался на расстоянии ly=(5ч25)·10-3 м (ly=y2–y1–r1) от поверхности жидкого КВ. Для регистрации температуры стержня в начальный момент времени использовался метод термопарных измерений. При начальной температуре окружающего воздуха T0=295 К происходило испарение бензина из открытой емкости 7 в окружающую среду (рис. 1). Площадь поверхности испарения составляла 8·10-3 м2. За счет механизмов диффузионно-конвективного массопереноса пары горючего перемешивались с окислителем – воздухом. Вследствие этого над поверхностью жидкого топлива образовывалась смесь паров горючего и воздуха (рис. 2). Через некоторый интервал времени паровые массы достигали стержня, расположенного на расстоянии ly от поверхности жидкости. За счет энергии источника парогазовая смесь нагревалась. При достижении достаточных для воспламенения значений температур и концентраций паров горючего в смеси происходило возгорание. Во всех экспериментах после завершении индукционного периода в системе «металлический стержень – горючая жидкость – парогазовая смесь» наблюдалось стационарное горение.
Рис. 2. Условная схема исследуемого процесса:
1 – парогазовая смесь, 2 – стальной стержень, 3 – жидкое конденсированное вещество
При проведении исследований процессов тепломассопереноса в системе (рис. 2) фиксировались основные интегральные характеристики – время задержки зажигания и скорость движения парогазовой смеси над границей испарения жидкого КВ. Интервал времени от момента установки стального стержня над поверхностью топлива до момента появления пламени фиксировался высокоскоростной видеокамерой 5 и регистрировался на персональном компьютере 1 (рис. 1). Значение этого интервала определяло время задержки зажигания td. Для визуализации полей скоростей парогазовой смеси, движущейся в окрестностях источника энергии (рис. 2), использовалась измерительная PIV-система (рис. 1). При помощи двойного твердотельного импульсного лазера 4 выполнялось просвечивание 6 области над поверхностью испарения жидкого КВ. При синхронизации 2 работы персонального компьютера 1, импульсного лазера 4 и кросскорреляционной камеры 5 регистрировались изображения полей скоростей смеси продуктов испарения бензина с воздухом. Обработка результатов видеосъемки проводилась при помощи специализированного программного обеспечения, позволяющего кадрировать видеозапись.
Опыты были спланированы и проведены с учетом выполнения следующих условий:
- обеспечение минимального рассеяния параметров, характеризующих условия экспериментов;
- сохранение стабильности свойств используемых веществ и материалов от эксперимента к эксперименту;
- обеспечение минимальных значений систематических и случайных ошибок определения основных параметров;
- создание условий для усреднения результатов измерений.
Эксперименты с жидким топливом проводились в течение максимально сжатых сроков. Целью такого уплотнения серий опытов являлось стремление сохранить во всех экспериментах идентичный состав КВ. Предварительные исследования показали, что при длительном хранении жидких топлив (например, бензина) их свойства часто изменяются достаточно заметно. Возможно, это связано с наличием легкоиспаряющихся примесей (летучих). Испарение таких компонент неизбежно влияет при прочих адекватных условиях на времена задержки зажигания.
Результаты и их обсуждение
При проведении экспериментов стальной стержень неподвижно фиксировался на расстоянии ly=(5ч25)·10-3 м от поверхности жидкого КВ. На рис. 3 приведен кадр видеограммы при ly=25·10-3 м, Tp=1353 К. В результате исследования процесса тепломассопереноса при варьировании температуры локального источника энергии в диапазоне 1273 К≤Tp≤1423 К для различных значений ly было установлено, что Tp=1353 К – минимальная температура стального стержня размерами lp=0,1 м и rp=3·10-3 м, при которой в системе (рис. 2) происходит газофазное зажигание.
Рис. 3. Кадр видеограммы эксперимента при ly=25·10-3 м, Tp=1353 К:
1 – воздух, 2 – стальной стержень, 3 – жидкое конденсированное вещество
Инерционность исследуемого процесса зависит не только от характеристик источника тепла (размеры, температура), но и от условий взаимодействия стержня с парогазовой смесью. В таблице 1 приведена зависимость времени задержки зажигания от расстояния между локальным источником энергии и поверхностью испаряющегося бензина.
Таблица 1. Времена задержки зажигания в системе «металлический стержень – горючая жидкость – парогазовая смесь» в зависимости от расстояния ly при Tp=1353 К
ly·103, м | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
td*, с | 0,091 | 0,213 | 0,293 | 0,411 | 0,67 |
td**, с | 0,087 | 0,186 | 0,261 | 0,388 | нет зажигания |
Д, % | 4,4 | 12,7 | 10,9 | 5,6 | – |
td* – времена задержки зажигания, установленные при численном исследовании [12]; td** – времена задержки зажигания, установленные при экспериментальных исследованиях; Д – отклонение (Д=(td*–td**)/td*·100), %
Из таблицы 1 видно, что при уменьшении ly инерционность исследуемого процесса зажигания снижается на 77 %. Это объясняется тем, что при приближении нагретого стержня к поверхности бензина увеличивается масса паров горючего, обтекающих источник нагрева. При ly=25·10-3 м и других адекватных параметрах процесса в отличие от результатов численного исследования экспериментально установлено, что воспламенение в системе «металлический стержень – горючая жидкость – парогазовая смесь» не реализуется. Полученный результат объясняется тем, что в модели тепломассопереноса [12] на границах области решения (рис. 2) задавались условия равенства нулю градиентов температур и концентраций паров горючего.
Следует отметить, что в опытах зона локализации реакции окисления наблюдалась в газовой области ниже разогретого стержня. Кадр видеограммы эксперимента с зажиганием паров бензина представлен на рис. 4. Полученный результат качественно хорошо согласуется с известными следствиями численных исследований [12–14] процессов зажигания газовых смесей металлическими высокотемпературными стержнями. Формирование зоны локализации экзотермической реакции под источником энергии можно объяснить следующим образом. В рассматриваемой системе (рис. 2) пары бензина формируются в результате фазового перехода равномерно по всей поверхности горючей жидкости (рис. 1). После этого они диффундируют в окружающий воздух и перемешиваются с ним. Образуется парогазовая смесь с высоким содержанием паров бензина, однако ее температура недостаточно высока (300 К) для воспламенения.
При достижении парами горючего накаленного стержня, находящегося на некотором расстоянии от поверхности жидкого КВ, образуются завихрения восходящих парогазовых потоков. Вследствие этого под стержнем увеличивается концентрация газообразного горючего и возрастает температура парогазовой смеси. При этих условиях реакция окисления паров горючего принимает необратимый характер – происходит зажигание парогазовой смеси в непосредственной близости от нижней грани стержня.
Рис. 4. Кадр видеограммы эксперимента с зажиганием бензина при появлении пламени ly=20·10-3 м, Tp=1353 К:
1 – парогазовая смесь, 2 – стальной стержень, 3 – жидкое конденсированное вещество, 4 – пламя
На рис. 5, 6 представлены осесимметричные кадры видеограмм и поля скоростей продуктов испарения бензина в рассматриваемой системе (рис. 2). При ly=20·10-3 м и Tp=1353 К в условиях смешанной конвекции наблюдался унос продуктов испарения бензина в горизонтальном направлении. Тем не менее, при выполнении необходимых условий зажигания (по температуре и концентрации) парогазовой смеси воспламенение происходило вблизи нижней грани источника. В случае полного погружения стержня в жидкое КВ наряду с интенсивным испарением бензина и вдувом паров горючего в среду окислителя наблюдалось значительное охлаждение источника энергии. При температурах менее 1353 К зажигания не происходило.
а | б |
Рис. 5. Кадр видеограммы (а) и поле скоростей продуктов испарения бензина (б) при ly=20·10-3 м, Tp=1353 К
а | б |
Рис. 6. Кадр видеограммы (а) и поле скоростей продуктов испарения бензина (б) при полном погружении стержня в жидкость, Tp=1300 К
Полученный результат позволяет выделить основные отличия условий зажигания горючих жидкостей при наличии непосредственного теплового контакта с источником нагрева и при его расположении на некотором расстоянии от границы испарения. В первом случае определяющими являются стадии прогрева жидкости, условия теплового взаимодействия нагретого стержня с топливом (наличие парового зазора между источником и воспламеняемым веществом, погружение источника в жидкость и т. д.). Во втором случае инерционность процесса зажигания определяется главным образом временем прогрева парогазовой смеси.
Заключение
Полученные результаты экспериментальных исследований подтверждают сделанные ранее [12–14] выводы о возможности зажигания легковоспламеняющихся горючих жидких веществ локальными источниками энергии до их непосредственного взаимодействия с открытой поверхностью вещества. В отличие от результатов численных исследований [12–14], полученных для «подготовленных» парогазовых смесей, зажигание паров бензина в условиях естественной конвекции воздуха возможно при меньших (на 25 %) значениях расстояния между поверхностью жидкого КВ и источником нагрева. Например, в экспериментах показано, что при lp=0,1 м, rp=3·10-3 м и Tp=1353 К зажигание в системе «металлический стержень – горючая жидкость – парогазовая смесь» возможно при ly=(5ч20)·10-3 м.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 12-08-33002).
Литература
[1] , Газофазное зажигание конденсированного вещества неподвижным локальным источником энергии // Бутлеровские сообщения. 2011. Т. 27, № 16. С. 26–34.
[2] , , Зажигание жидкого конденсированного вещества погружающимся источником ограниченной энергоемкости // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 4. С. 483–498.
[3] , Численное моделирование процесса зажигания жидкого топлива источником ограниченной энергоемкости с учетом турбулентности течения паров горючего // Химическая физика. 2013. Т. 32, № 6. С. 50–60.
[4] , Зажигание полимерного материала одиночной нагретой до высоких температур частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т. 20, № 9. С. 3–8.
[5] , Зажигание полимерного материала нагретой до высоких температур металлической частицей в условиях конвективного тепломассопереноса // Пожаровзрывобезопасность. 2011. Т. 20, № 12. С. 15–22.
[6] , Конвективный тепломассоперенос при зажигании полимерного материала локальным источником нагрева // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 29, № 1. С. 99–111.
[7] , , Численное моделирование твердофазного зажигания металлизированного конденсированного вещества нагретой до высоких температур частицей // Химическая физика. 2011. Т. 30, № 12. С. 35–41.
[8] , , Влияние формы локального источника энергии на условия зажигания структурно-неоднородного твердого конденсированного вещества // Химическая физика и мезоскопия. 2012. Т. 14, № 3. С. 334–341.
[9] Особенности постановки задач при численном исследовании зажигания металлизированного конденсированного вещества локальным источником энергии // Бутлеровские сообщения. 2013. Т. 33, № 1. С. 126–132.
[10] , , Математическое моделирование зажигания гелеобразного конденсированного вещества одиночными разогретыми металлическими и неметаллическими частицами // Бутлеровские сообщения. 2013. Т. 34, № 5. С. 22–33.
[11] , Численное исследование процессов тепломассопереноса при зажигании гелеобразного топлива источником ограниченной энергоемкости // Инженерно-физический журнал. 2013. Т. 86, № 3. C. 652–660.
[12] , Особенности зажигания парогазовой смеси нагретой до высоких температур металлической частицей // Пожаровзрывобезопасность. 2008. Т. 17, № 3. С. 25–33.
[13] , Пожарная опасность формирования разогретых до высоких температур частиц металлов в непосредственной близости от участков испарения горючих жидкостей // Пожарная безопасность. 2009. Т. 18, № 1. С. 67–71.
[14] Kuznetsov G. V., Strizhak P. A. Distinctive features of the gas-phase ignition of a mixture of a kerosene vapor and air by a steel wire heated to high temperatures // Journal of Engineering Physics and Thermophysics. 2009. № 6. P. 1059–1065.
[15] Zakharevich A. V., Strizhak P. A. Analyzing the Characteristic Times of Physical-Chemical Processes Running at Ignition of a Liquid Condensed Substance under Local Heating // Journal of Engineering Thermophysics. 2013. V. 22, № 2. P. 157–168.
[16] , , Экспериментальное исследование процессов зажигания нагретой частицей биологически трансформированного опада лиственных пород // Бутлеровские сообщения. 2012. Т. 32, № 13. С.95–99.
Experimental study of integrated ignition characteristics for a mix of air with vapors of typical liquid fuel by motionless warmed metal core
© Volkov Roman Sergeyevich, Glushkov Dmitriy Olegovich+,
Medvedev Valery Vasilyevich and Strizhak Pavel Aleksandrovich*
National Research Tomsk Polytechnic University. Lenin avenue, 30. Tomsk, 634050. Russia.
Tel.: +7 (3822) 701-777 , 1957. E-mail: *****@***ru
Keywords: ignition, heat and mass transfer, evaporation, oxidation, liquid fuel, warmed core, ignition time delay.
Abstract
Experimental study of vapors ignition of typical liquid fuel – gasoline by a local heating source is executed. Conditions of interaction of combustible substance evaporation products with the motionless steel core warmed to high temperatures are considered at direct contact of the condensed substance with a power source and at its arrangement at some distance from evaporation border. Values of the main integrated characteristic of process – ignition time delay are determined. Value of limit (minimum) temperature of a local source at which in system "a metal core – combustible liquid – the steam-gas mix" ignition is happened. Dependence of ignition time delay for a mix of air with vapors of gasoline from distance between a steel core and a surface of evaporating fuel is parison of experimental results to well-known consequences of numerical researches is carried out.
