Влияние температуры на пределы горения и детонации пропан-бутана с воздухом. Экспериментальные данные

В промышленном производстве возможны как технологические, так и аварийные выбросы горючих газов. Технологические выбросы не представляют большой опасности, так

«Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)», 2019

как процессы горения происходят при регламентированных условиях. В случае аварийного выброса опасность представляют неконтролируемое воспламенение и горение образовавшейся топливно-воздушной смеси. Горение смесей может протекать в следующих режимах: медленное горение, быстрое турбулентное горение и детонация.

С точки зрения обеспечения безопасности наибольший интерес вызывают смеси на основе наиболее распространенных АМТ [1-3] пропан-бутана (СУГ) и метана (природный газ). Смеси углеводородных горючих газов с воздухом обладают относительно низкой детонационной чувствительностью, вследствие чего для их исследований необходимы крупномасштабные экспериментальные установки. Этот факт объясняет недостаток информации по детонационным свойствам смесей углеводородных топлив с воздухом в литературе.

В ряде выполненных разными авторами работ приведены результаты исследований по влиянию геометрических параметров на быстрое горение и переход горения в детонацию (ПГД) [4-10]. Большое количество исследований освещает процессы горения метановоздушных смесей [4-6, 11-18]. В работах [13-14] исследовалось влияние начальной температуры и давления. Было показано, что область быстрого горения расширяется с ростом давления. Влияние давления более очевидно для богатых метано-воздушных смесей. Для бедных смесей это влияние мало, особенно для высоких температур. Температура также оказывает положительное влияние на ускорение пламени. Предел ПГД находится на начальном давлении выше 1.4 бар при Т = 293 К и выше 1.75 бар при Т = 393 К. Аналогичные экспериментальные данные получены в работе [18].

2.    Экспериментальное исследование

Эксперименты проводились на установке «Нагреваемая детонационная труба» (далее Установка). Установка предназначена для исследования процессов горения газовых смесей при начальном давлении до трёх атм и начальной температуре до 150 °C. Общий вид Установки показан на рис. 1. Схема газораспределительной системы экспериментальной установки приведена на рис. 2. Установка включает в себя следующие основные элементы: рабочий объем; смесительный объем; система нагрева детонационной трубы; система поджига ТВС и система диагностики динамических параметров горения и взрыва.

Рис. 1. Общий вид установки «Нагреваемая детонационная труба»

Рабочий объем представляет собой нагреваемую детонационную трубу из нержавеющей стали толщиной стенки б мм, внутренним диаметром 121 мм, длиной 8 м, внутренней емкостью 92 л. Торцы рабочего объема герметично закрыты фланцами. В рабочем объеме с шагом, равным диаметру трубы, по всей длине установлены препятствия, моделирую- щие загроможденность пространства. Препятствия представляют собой диски с наружным диаметром D = 121 мм и внутренним просветом d = 101 мм. Степень загроможденности, определяемая как отношение площади перекрытия к общей площади сечения трубы, по которой распространяется волна горения, BR (blockage ratio) равна 0,3.

Рис. 2. Схема, газораспределительной системы установки

«Нагреваемая детонационная труба»

Приготовление исследуемой смеси проводится в смесительном объеме емкостью 35,7 л методом парциальных давлений последовательным смешением углеводорода, кислорода, и азота. Контроль давления компонентов смеси производится образцовыми манометрами и вакуумметрами, класс точности которых - 0,15.

Нагревательная система, трубы рассчитана, на. поддержание температуры в рабочем объеме с погрешностью 2 °C. Инициирование горения смесей осуществлялось с помощью электрической искры. Электроды были выполнены из вольфрамовой проволоки диаметром 2,5 мм, искровой промежуток составлял 0,5 мм.

Система, диагностики состоит из 16 коллимированных германиевых фотодиодов ФД-9 и ФД-10 и одного тензорезистивного датчика, давления Д2.5. Датчик давления располагался на. расстоянии 2,225 м от начала, трубы. Регистрации данных происходит при помощи двух аналого-цифровых преобразователей L 783М, установленных в персональном компьютере.

Перед проведением экспериментов определялся состав СУГ. Давление в рабочем баллоне измерялось при двух температурах, после чего проводился расчет содержания каждой фракции в жидкой и паровой фазах. Результаты приведены в табл. 1.

В настоящей работе проведены 2 серии экспериментов при атмосферном давлении и при температурах 20 °C и 110 °C на. смесях метана, с воздухом и 3 серии экспериментов при температурах 20 °C, 70 °C и ПО °C на. смесях СУГ с воздухом.

Эксперименты с метаном проводились на. смесях с содержанием метана, от 6,0% до 14,5%, рабочие смеси СУГ с воздухом содержали от 2% до 7,5% пропан-бутана. При приготовлении рабочих смесей состав СУГ соответствовал составу паровой фазы в баллоне: пропан - 92% об., бутан - 8% об. Характерная ж — t- диаграмма и осциллограмма датчика. давления приведены на. рис. 3 и 4 соответственно для следующих условий: 7,0% СУГ, BR = 0.3. Т = 110 °C.

Таблица!

Состав сжиженного углеводородного газа в рабочем баллоне

Температура, °C	7,0	16,0
Давление абс., атм	4,56	5,91
Мольная доля СЗН8 в жидк. фазе, %	73,2	72,6
Массовая доля СЗН8 в жидк. фазе, %	67,4	66,8
Мольная доля С4Н10 в жидк. фазе, %	26,8	27,4
Массовая доля С4Н10 в жидк. фазе, %	32,6	33,2
Парциальное давление пара СЗН8, атм	4,21	5,42
Парциальное давление пара С4Н10, атм	0,35	0,49
Доля СЗН8 в паровой фазе, % об.	92,3	91,7
Доля С4Н10 в паровой фазе, % об.	7,7	8,3

						О.1	V/tick
R,m
7.632
						2 V/tick
7.152
						1 V/tick
6.672
						0.5	V/tick
6.192
5.712						2 V/tick
						2 V/tick
5.232
						2 V/tick
4.752
4.272						2 V/tick
						2 V/tick
3.665
3.185						1 V/tick
						0.5	V/tick
2.705
						0.5	V/tick
2.225
1.745						0.5	V/tick
				^y^AtV^CvVVw^^		0.5	V/tick
0.785						0.5	V/tick
						0.5	V/tick

50                 55                 60                 65                 70                     CmsmV/tic

Рис. 3. Характерная ж — t- диаграмма записи световых датчиков

Рис. 4. Характерная зависимость давления от времени

Используя ж — t- диаграмму, легко вычислить среднюю скорость распространения горения на отдельных участках рабочей камеры. На рис. 5 и б приведены зависимости средних скоростей распространения горения от расстояния до места инициирования (г — ж-диаграммы процессов горения) для смесей метана с воздухом при начальных температурах 20 °C и 110 °C. На диаграммах показаны реперные линии, соответствующие скоростям детонации Чепмена-Жуге и звука в продуктах реакции для исследуемых смесей, для расчета которых использовался код STANJAN [19].

Рис. 5. г — ж-диаграммы процессов горения смесей метана с воздухом при температуре 20 °C

Рис. 6. г — ж-диаграммы процессов горения смесей метана с воздухом при температуре 110 °C

В случае бедных смесей при начальных температурах 20 °C и 110 °C медленное горение наблюдалось в смеси с содержанием метана 6,0%. Увеличение концентрации до 6,5% привело к формированию быстрого турбулентного горения. В экспериментах со стехиометрической смесью также наблюдался режим быстрого турбулентного горения.

В случае богатых смесей при начальной температуре 20 °C медленное горение наблюдалось при содержании метана 13,0%, увеличение концентрации до 13,5% привело к затуханию. При повышении температуры от 20 до до 110 °C медленное горение наблюдалось при содержании метана 13,5%, снижение концентрации до 13% приводило к формированию быстрого турбулентного горения. Видно, что концентрационный предел сместился в область богатых смесей на 0,5% метана. Также произошло расширение общих концентрационных пределов существования процессов горения.

На рис. 7, 8 и 9 приведены г — ж-диаграммы процессов горения смесей СУГ с воздухом при начальных температурах 20 °C, 70 °C и ПО °C.

Рис. 7. г — ж-диаграммы процессов горения смесей СУГ с воздухом при температуре 20 °C

Рис. 8. г — ж-диаграммы процессов горения смесей СУГ с воздухом при температуре 70 °C

В случае бедных смесей СУГ-воздух при начальной температуре 20 °C режим медленного горения наблюдался для концентраций 2,0% и 2,5%. Повышение концентрации до 3,0% привело к формированию детонационного режима. Повышение начальной температуры до 70°С привело к смещению концентрационного предела для быстрого турбулентного горения на 0,3—0,8%>. Медленное горение наблюдалось при содержании топлива 2.2%, повышение концентрации до 2,5% привело к возникновению быстрого турбулентного горения, дальнейшее повышение до 3,0% привело к формированию детонационного режима горения. Повышение начальной температуры смеси до 110 °C не привело к дополнительному изменению концентрационных пределов в области бедных смесей.

Рис. 9. f — ж-диаграммы процессов горения смесей СУГ с воздухом при температуре ПО °C

В богатых смесях при комнатной температуре режим медленного горения наблюдался при концентрациях СУГ 7,5% и 7%. Понижение концентрации до 6,5% привело к возникновению режима быстрого турбулентного горения. Дальнейшее понижение концентрации до 6% привело к формированию детонационного режима. Повышение начальной температуры до 70 °C не привело к смещению концентрационных пределов в области богатых смесей. Дальнейшее повышение температуры до ПО °C привело к расширению концентрационного предела быстрого турбулентного горения на 0,5% пропан-бутана.

Концентрационные пределы детонации смесей пропан-бутана с воздухом во всем диапазоне начальных температур по указанным экспериментам составляют 3,0-6,0%. Во всех случаях скорость детонации, наблюдаемая в эксперименте, ниже скорости Чепмена-Жуге. Это объясняется неидеальностью взрывного процесса, связанной с наличием препятствий и тепловыми потерями на стенках.

Также, исходя из экспериментальных данных, можно утверждать, что видимая скорость распространения фронта пламени с увеличением начальной температуры для бедных и богатых смесей возрастает при аналогичных концентрациях. Увеличение скорости касается не только случая перехода из режима медленного горения в быстрое турбулентное горение.

а)

Рис. 10. Концентрационные пределы режимов горения смесей метан-воздух и СУГ-воздух в диапазоне температур от 20 °C до 110 °C ( Р0 = 1 атм)

б)

На рис. 10 результаты проведенных экспериментов показаны в виде диаграмм режимов распространения пламени для воздушных смесей метана (а) и пропан-бутана (б). На диаграммах показаны зависимости концентрационных пределов режимов горения от температуры. Линии разграничивают экспериментальные точки на различные режимы распространения пламени.

Эффект расширения концентрационных пределов для быстрого турбулентного горения с ростом начальной температуры показан как для метано-воздушных смесей, так и для смесей СУГ с воздухом, причем для богатых смесей данный эффект более выражен. Как отмечено в работе [12], влияние начальной температуры на концентрационные пределы можно объяснить известной зависимостью критической степени расширения с* (при с > с* возможно ускорение пламени в канале с препятствиями до скоростей порядка скорости звука в продуктах) от числа Зельдовича 3 = Е_а(Ть — Т_нрТ2. г де Е_а - энергия активации, Т_п - начальная температура смеси, Т) - температура продуктов (адиабатическая температура горения). Таким образом, в результате повышения начальной температуры смеси уменьшается величина критической степени расширения с*, или, другими словами, критические условия для эффективного ускорения турбулентного пламени до скорости звука в продуктах с повышением начальной температуры смещаются в область менее реакционноспособных смесей. На рис. 11 показано влияние начальной температуры на критическую степень расширения с* для бедных (а) и для богатых (б) смесей метана и пропан-бутана (СУГ) с воздухом, штриховые линии разграничивают медленные и быстрые режимы горения. Степень расширения для используемых в экспериментах смесей рассчитывалась с использованием кода STANJAN [19]. Следует отметить, что полученные результаты хорошо согласуются с оценками, сделанными в работах [12, 14].

а) Бедные смеси

б) Богатые смеси

Рис. 11. Влияние начальной температуры на. критическую степень расширения

В отличие от экспериментов со смесями СУГ-воздух в метано-воздушных смесях детонационный режим не наблюдался, что связано с малым масштабом экспериментальной установки. Известно, что детонация в трубах с кольцевыми препятствиями возможна, в смесях с поперечным размером ячейки детонации А <  d, где d - внутренний диаметр кольцевого препятствия [4]. В представленных в настоящей работе экспериментах внутренний диаметр кольцевого препятствия составлял 101 мм. В наиболее реакционноспособной стехиометрической смеси СН4-воздух размер детонационной ячейки составляет 320 мм для начальных температуры 20 °C и давления 1 атм [6], что намного выше критического значения.

3.    Заключение

Исходя из полученных результатов, можно сделать следующиее выводы:

• 1.    Видимая скорость распространения фронта, пламени с увеличением начальной температуры возрастает.

• 2.    Концентрационные пределы распространения быстрого турбулентного горения зависят от начальной температуры. С ростом начальной температуры концентрационные пределы расширяются как для смесей пропан-бутана с воздухом, так и для смесей метана с воздухом.

• 3.    Изменение концентрационных пределов распространения детонации в смесях пропанбутана с воздухом с увеличением начальной температуры от 20 °C до ПО °C не наблюдается.

• 4.    В смесях метана с воздухом при атмосферном давлении и при начальных температурах от 20 °C до 110 °C в соответствии с критерием перехода горения в детонацию для каналов с препятствиями d/X = 1 детонационный режим горения не наблюдается.