Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах

Проведено физико-математическое моделирование высокотемпературного тепломассообмена и кинетики химических превращений двухфракционной газовзвеси углеродных частиц. Определены характеристики воспламенения и горения частиц газовзвеси в воздухе при различных температурах окружающего газа. Доказано, что...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2017
Автори:	Орловская, С.Г., Зуй, О.Н., Лисянская, М.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут технічної теплофізики НАН України 2017
Назва видання:	Промышленная теплотехника
Теми:	Использование и сжигание топлива
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142417
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах / С.Г. Орловская, О.Н. Зуй, М.В. Лисянская // Промышленная теплотехника. — 2017. — Т. 39, № 5. — С. 97-102. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-142417
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1424172018-10-09T01:22:59Z Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах Орловская, С.Г. Зуй, О.Н. Лисянская, М.В. Использование и сжигание топлива Проведено физико-математическое моделирование высокотемпературного тепломассообмена и кинетики химических превращений двухфракционной газовзвеси углеродных частиц. Определены характеристики воспламенения и горения частиц газовзвеси в воздухе при различных температурах окружающего газа. Доказано, что при уменьшении температуры газа период индукции мелкой фракции может превышать период индукции крупной фракции, а температура горения становится ниже. Найдены критические параметры воспламенения и потухания двухфракционной газовзвеси. Проведено фізико-математичне моделювання високотемпературного тепломасообміну та кінетики хімічних перетворень двофракційних газозависів вуглецевих частинок. Визначені характеристики спалахування та горіння частинок газозавису в повітрі при різних температурах оточуючого газу. Доказано, що при зменшенні температури газу період індукції мілкої фракції може перевищувати період індукції крупної фракції, а температура горіння стає нижчою. Знайдені критичні параметри спалахування і затухання двофракційних газозависів. Physical and mathematical modeling of high-temperature heat and mass transfer and kinetics of chemical transformations of a two-fraction gas suspension of carbon particles is carried out. The characteristics of ignition and combustion of gas-suspension particles in air at different gas temperatures are determined. With a decrease in the gas temperature, the induction period of the fine fraction exceeds the induction period of the coarse fraction, and the burning temperature is lower. Critical parameters of ignition and extinction of a two-fraction gas suspension are found. 2017 Article Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах / С.Г. Орловская, О.Н. Зуй, М.В. Лисянская // Промышленная теплотехника. — 2017. — Т. 39, № 5. — С. 97-102. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0204-3602 DOI https://doi.org/10.31472/ihe.5.2017.16 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142417 536.46 ru Промышленная теплотехника Інститут технічної теплофізики НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Использование и сжигание топлива Использование и сжигание топлива
spellingShingle	Использование и сжигание топлива Использование и сжигание топлива Орловская, С.Г. Зуй, О.Н. Лисянская, М.В. Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах Промышленная теплотехника
description	Проведено физико-математическое моделирование высокотемпературного тепломассообмена и кинетики химических превращений двухфракционной газовзвеси углеродных частиц. Определены характеристики воспламенения и горения частиц газовзвеси в воздухе при различных температурах окружающего газа. Доказано, что при уменьшении температуры газа период индукции мелкой фракции может превышать период индукции крупной фракции, а температура горения становится ниже. Найдены критические параметры воспламенения и потухания двухфракционной газовзвеси.
format	Article
author	Орловская, С.Г. Зуй, О.Н. Лисянская, М.В.
author_facet	Орловская, С.Г. Зуй, О.Н. Лисянская, М.В.
author_sort	Орловская, С.Г.
title	Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах
title_short	Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах
title_full	Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах
title_fullStr	Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах
title_full_unstemmed	Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах
title_sort	воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах
publisher	Інститут технічної теплофізики НАН України
publishDate	2017
topic_facet	Использование и сжигание топлива
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/142417
citation_txt	Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах / С.Г. Орловская, О.Н. Зуй, М.В. Лисянская // Промышленная теплотехника. — 2017. — Т. 39, № 5. — С. 97-102. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series	Промышленная теплотехника
work_keys_str_mv	AT orlovskaâsg vosplamenenieigoreniegazovzvesejuglerodnyhčasticprirazličnyhtemperaturah AT zujon vosplamenenieigoreniegazovzvesejuglerodnyhčasticprirazličnyhtemperaturah AT lisânskaâmv vosplamenenieigoreniegazovzvesejuglerodnyhčasticprirazličnyhtemperaturah
first_indexed	2025-07-10T14:58:26Z
last_indexed	2025-07-10T14:58:26Z
_version_	1837272410178453504
fulltext	ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №5 97 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА УДК 536.46 ВОСПЛАМЕНЕНИЕ И ГОРЕНИЕ ГАЗОВЗВЕСЕЙ УГЛЕРОДНЫХ ЧАСТИЦ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ ТЕМПЕРАТУРАХ Орловская С.Г. , канд. физ.-мат. наук, Зуй О.Н., Лисянская М.В. Одесский национальный университет им. И.И. Мечникова, ул. Дворянская, 2, Одесса, 65082, Украина Проведено фізико-математичне моделювання високотемпературного тепломасообміну та кінетики хімічних перетворень двофракційних газозависів вуглецевих частинок. Визначені харак- теристики спалахування та горіння ча- стинок газозавису в повітрі при різних температурах оточуючого газу. Дока- зано, що при зменшенні температури газу період індукції мілкої фракції може перевищувати період індукції крупної фракції, а температура горіння стає ниж- чою. Знайдені критичні параметри спа- лахування і затухання двофракційних газозависів. Проведено физико-математическое моделирование высокотемпературного тепломассообмена и кинетики химиче- ских превращений двухфракционной газовзвеси углеродных частиц. Опреде- лены характеристики воспламенения и горения частиц газовзвеси в воздухе при различных температурах окружающе- го газа. Доказано, что при уменьшении температуры газа период индукции мел- кой фракции может превышать период индукции крупной фракции, а темпера- тура горения становится ниже. Найдены критические параметры воспламенения и потухания двухфракционной газовзве- си.. Physical and mathematical modeling of high-temperature heat and mass transfer and kinetics of chemical transformations of a two-fraction gas suspension of carbon particles is carried out. The characteristics of ignition and combustion of gas-suspension particles in air at different gas temperatures are determined. With a decrease in the gas temperature, the induction period of the fine fraction exceeds the induction period of the coarse fraction, and the burning temperature is lower. Critical parameters of ignition and extinction of a two-fraction gas suspension are found. Библиогр. 6, табл. 1, рис. 3. Ключевые слова: тепломассообмен, воспламенение, горение, газовзвесь, углерод. C – удельная теплоемкость частицы; cg – удельная теплоемкость газа; CNi – численная концентрация i- той фракции газовзвеси; Cm– массовая концентрация; di – диаметр частицы i-той фракции; Fg – удельная поверхность газовзвеси; k1, k2 – константы скоростей химических реакций (I) і (II); kv – эффективная константа внутреннего реагирования; Mc, MO2 – молярные массы углерода и кислорода, соответственно; nO2,S – относительная массовая концентрация кислорода на поверхности частицы; nO2,∞ – относительная массовая концентрация кислорода в газе, окружающего взвесь; g1, g2 – тепловые эффекты реакций (I) и (II); Si – площадь поверхности частицы i - той фракции; Tg,∞ – температура газовой среды, окружающей газовз- весь; Ti – температура частицы; t – время; Usf – скорость стефановского течения; αg, βg – коэффициенты тепло- и массообмена газовзвеси с окружающей средой, p, pg – плотность частицы и газа; Nu – критерий Нуссельта; I – воспламенение (индукция); I* – начало химического разогрева; E – потухание; b – начальное значение; bur – горение; ch – химический. Актуальность исследования высокотемпературных режимов тепломассообмена и химических превраще- ний диспергированного углеродного топлива обуслов- лена необходимостью разработок эффективных мето- дов его использования в различных технологических процессах. В металлургическом производстве, топлив- ной энергетике углеродное топливо используется в виде газовзвеси. Топливо, используемое в энергетических устройствах, имеет полидисперсный состав [1], так как при его дроблении образуются частицы разного разме- ра. Исследованию особенностей воспламенения и горе- ния монодисперсных взвесей в литературе уделено мно- го внимания (например, [2-4]), полидисперсные взвеси изучены в меньшей степени. Целью данной работы яв- ляется изучение закономерностей воспламенения, го- рения и потухания двухфракционных газовзвесей угле- родных частиц, как частного случая полидисперсного топлива, при различных температурах газа. Проведем физико-математическое моделирование нестационарного тепломассообмена при горении га- зовзвеси углеродных частиц с учетом внутреннего ре- агирования и стефановского потока [4,5]. Уравнение теплового и массового балансов для углеродных ча- стиц i-той фракции, на поверхности которых протека- ют параллельные химические реакции: C + O2 = CO2 (I), 2C + O2 = 2CO (II) [6] имеют вид: ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №598 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА biiwiiich ii T)t(T,qqq t Tdc    0 6   , (1)       ,dtd,nkk M M t d biigis,Oii O Ci i     02 2 1 2 2 21  (2)       .t, kk k nkk M M t d biig ii iv is,Oi O Ci i i         02 6 1 21 21 2 2 (3) Суммарную плотность химического тепловыделения на поверхности и в порах частиц (gchi) найдем как:   i 21 2211 2 1 s,Og ii v iiich n kk k qkqkq i          . (4) Плотность теплового потока на поверхности частицы (gαi ) с учетом стефановского течения найдем из выраже- ния [4]:     , 2i        gi i sf gii TT u TTq i   i п i d Nu   . (5) Плотность теплового потока излучением (gwi) от частицы к стенкам реакционной установки найдем согласно закона Стефана-Больцмана: )( 44 wiiw TTq   . (6) При горении газовзвеси изменяются со временем температура газа и концентрация кислорода. Уравнения те- плового и массового балансов для газа имеют вид: )(i 1       ggggNi n i g gg TTFqCS t T c i   ,  gg TtT )0( , (7) )nn(F)kkk(nSC t n gi O,Oggviiisi,OiN n i gO 222 2 21 1         ,  ,OgO n)t(n 22 0 , (8) Важным параметром газовзвеси является массовая концентрация Cm, которая зависит от диаметра, плотности частиц и их численной концентрации CN:    n i mim CС 1 , Niiimi CdС   3 6 1 На основе решения уравнений (1) - (8) изучим высо- котемпературный тепломассообмен двухфракционной (i =2 ) газовзвеси углеродных частиц при одинако- вых массовых концентрациях каждой из фракций с диаметрами частиц – 60 мкм (мелкая фракция) и 120 мкм (крупная фракция). Для начальной массовой кон- центрации газовзвеси Cmb =0,0244 кг/м3, массовая концентрация каждой из фракций составила Cmb1 = = Cmb2 = 0,0122 кг/м3; численная концентрация мелкой фракции – CN1 =7,5 107, крупной – CN2 = 9,3 106. Га- зовзвесь с указанной массовой концентрацией характе- ризуется коэффициентом избытка кислорода близким к единице [4]. На рис. 1 представлены временные зависимости температур и диаметра частиц каждой из фракций, тем- пература газа, временные производные температур ча- стиц, концентрация кислорода в газе при воспламене- нии, горении и потухании двухфракционной газовзвеси при температуре газа 1500К. Экстремумы на временных зависимостях производной dT/dt (рис. 1, в) определя- ют моменты воспламенения (максимум) и потухания (минимум в отрицательной области значений) частиц и, соответственно, период индукции tI и время горения tbur [4]. Анализ температурных и кинетических кривых ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №5 99 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА показывает, что сначала происходит воспламенение и выгорание мелкой фракции. Частицы крупной фракции воспламеняются незадолго до момента потухания мел- ких частиц. В период выгорания мелкой фракции кон- центрация кислорода существенно уменьшается, по- этому воспламенение и последующее горение крупной фракции происходит при низких ее значениях (рис.1, г). 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 a) I . t, c T, K 1 2 3. E 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0 20 40 60 80 100 120 б) I . d, мкм t, c 1 2 .E 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 -5,0x104 0,0 5,0x104 1,0x105 1,5x105 2,0x10520 15 10 5 0 в) . dT/dt, 104, K/c t, c 1 2 I. E -5 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,09 0,12 0,15 0,18 0,21 0,24 г) t, c nO 2 ,g Рис. 1. Зависимости T, Tg, dT/dt, d, nO2, g от времени для двухфракционной газовзвеси при Tg∞= Tw =1500 K. 1– db1 =60 мкм, 2– db2 =120 мкм, 3 – температура газа Tg. При понижении температуры газа, теплопоте- ри молекулярно-конвективным путем для мелких ча- стиц растут сильнее, чем для крупных (формула (5)). Это приводит к увеличению периода индукции мел- кой фракции газовзвеси Для таких температур газа воспламенение крупной фракции происходит раньше, чем мелкой (рис. 2). Период индукции частицы (вре- мя, за которое она воспламеняется) tI состоит из двух частей (рис.2,б): времени инертного прогрева частицы до температуры газа (до т. I* ) и времени химического разогрева, обусловленного активизацией химических процессов (от т. I* до т. I). Таким образом, период индукции равен tI = TI* + tch. Для высокой температуры газа время химического разогрева несколько меньше времени инертного прогрева для частиц обеих фракций (табл.1, Tg∞ =1500K). При понижении температуры газа до Tg∞ = 1300K время химического разогрева мелких частиц увеличилось практически в 27 раз (табл.1). По сравнению со временем инертного разогрева (tI) время химического разогрева (tch) возросло более, чем в 7 раз. Для частиц крупной фракции (120 мкм), в случае низ- кой температуры газа, длительность химической стадии несколько меньше длительности инертного прогрева ча- стицы, как и при Tg∞ = 1500K. Анализ результатов, пред- ставленных в табл.1, показывает, что при понижении Tg∞ температура крупных частиц в момент активизации хи- мических реакций (TI) и в момент воспламенения (TI) практически не изменилась, а для частиц мелкой фрак- ции существенно понизилась. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №5100 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 .I* I E.. а) t, c T, K 1 2 3 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0 10000 20000 30000 40000 50000 0 1 2 3 4 . .E E .I I. .I I б)d T /d t, 104, K/c t, c 1 2. 5 Рис. 2. Временные зависимости T, Tg, dT/dt, для двухфракционной газовзвеси при Tg∞ = Tw = 1300K. 1 – db1 =60 мкм, 2 – db2 =120 мкм, 3 – температура газа Tg в объеме газовзвеси. Tg∞, К 1500 1300 db,мкм 60 120 60 120 TI, К 1513,1 1347,8 1280,6 1348 TI, К 2022,1 1840,2 1936,4 1863,2 tI,мс 15,6 34,1 42,8 127,4 tch ,мс 12,2 23,2 335,9 99,7 Таблица 1. Характеристики воспламенения двухфракционной газовзвеси углеродных частиц при различных температурах Изложенные рассуждения объясняют поведение пе- риода индукции газовзвеси в широком интервале тем- ператур газа (рис. 3,а). Для Tg∞>1400K период индукции определяется временем воспламенения мелких частиц, ниже этого значения – временем воспламенения частиц крупной фракции. 1100 1200 1300 1400 1500 0,1 1,0 T g,cr 2 T g , K t i n d , c а) 1 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1800 2000 2200 2400 2600 T g , K 2 1 Т m , К б) Рис. 3. Зависимости периода индукции и максимальной температуры горения частиц газовзвеси от температуры газа: 1 – db1 =60мкм; 2 – db2 =120мкм. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №5 101 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА При некоторой критической температуре газа Tg,cr (рис.3,а) газовзвесь не воспламеняется (период индук- ции бесконечно большой). Критическая температура воспламенения двухфракционной газовзвеси оказа- лась равной 1160К, что значительно ниже температуры воспламенения одиночных частиц того же диаметра. Причем, критические температуры газа для одиноч- ных крупных и мелких частиц существенно разнятся (Tg,cr1 = 1367К, Tg,cr2 = 1280К), а в условиях двухфракци- онной газовзвеси практически совпадают. Температура горения частиц мелкой фракции в области низких тем- ператур газа меньше, чем крупных (рис. 3,б) по причине большего теплоотвода и нехватки окислителя на стадии горения, вследствие выгорания последнего при взаимо- действии с крупными частицами. Потухание частиц га- зовзвеси (точка Е, рис. 1, 2) происходит в вырожденном режиме[4], так как на завершающей стадии горения раз- ность температур частиц и газа мала. После потухания происходит медленое доокисление частиц в кинетиче- ском режиме. Выводы В результате физико-математического модели- рования высокотемпературного тепломассообмена двухфракционной газовзвеси частиц изучены харак- теристики воспламенения и горения при различных температурах газа. Установлено, что при высоких тем- пературах газа период индукции мелкой фракции мень- ше, чем крупой, а при низких температурах наоборот -больше, что вызвано увеличением молекулярно-кон- вективных теплопотерь в окружающую газовую среду для мелкой фракции. Найден интервал температур, в ко- тором температура горения мелких частиц меньше, чем крупных. Доказано, что температуры воспламенения мелких и крупных частиц в условиях двухфракционной газовзвеси практически совпадают, а для одиночних ча- стиц тех же диаметров существенно разнятся. ЛИТЕРАТУРА 1. Померанцев В.В. Основы практической теории горения. Л.: Энергия, 1973. - 263с. 2. Лисицын В.И., Руманов Э.Н., Хайкин Б.И. О пе- риоде индукции при воспламенении совокупности ча- стиц//Физика горения и взрыва .- 1971. - Т.7, № 1, С.3-9. 3. Золотко А.Н., Яковлева Т.А. Потухание дисперс- ных гетерогенных систем //Физика горения и взры- ва.-1996.- Т.32, № 6. - С.12-19. 4. Орловська С.Г. Вплив колективного ефекту на ха- рактеристики високотемпературного тепломасообміну сукупностей поруватих вуглецевих частинок//Фізика і хімія твердого тіла. - Т. 12, № 2. - С.490-499. 5. Калинчак В.В., Орловская С.Г.,. Калинчак А.И, Дубинский А.В. Тепломассообмен углеродной частицы с воздухом при учете стефановского течения и теплопо- терь излучением // Теплофизика высоких температур.- 1996.- Т.34, № 1.- С. 83 – 91. 6. Орловська С.Г. Дослідження закономірностей горіння газозависів вуглецевих частинок //Фізика і хімія твердого тіла. - 2015, Т.16, № 1. - С.210-216. ISSN 0204-3602. Пром. теплотехника, 2017, т. 39, №5102 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И СЖИГАНИЕ ТОПЛИВА IGNITION AND COMBUSTION OF GAS SUSPENSION OF CARBON PARTICLES AT DIFFERENT TEMPERATURES Orlovskaya S.G., Zuj O.N., Liseanskaia M.V. Odessa National I.I. Mechnikov’s University, Dvoryanskaya st., 2, Odessa, 65082, Ukraine Key words: heat and mass exchange, ignition, combustion, gas suspension, carbon. Physical and mathematical modeling of high-temperature heat and mass transfer and kinetics of chemical transformations of a two-fraction gas suspension of carbon particles is carried out. The characteristics of ignition and combustion of gas-suspension particles in air at different gas temperatures are determined. With a decrease in the gas temperature, the induction period of the fine fraction exceeds the induction period of the coarse fraction, and the burning temperature is lower. Critical parameters of ignition and extinction of a two-fraction gas suspension are found. References 6, tables 1, figures 3. 1. Pomerantsev V.V. Fundamentals of the practical theory of combustion. L.: Energia, 1973. – 263p. 2. Lisitsyn V.I., Rumanov E.N., Khaikin B.I. On the period of induction upon ignition of the aggregate of particles // Physics of Combustion and Flames. – 1971. – V.7, No. 1, C.3-9. 3. Zolotko A.N., Yakovleva T.A. The attenuation of dispersed heterogeneous systems // Physics of Combustion and Flames.–1996.– V.32, No 6. – P.12-19. 4. Orlovska S.G. Influence collective effect on the heat transfer characteristics of high populations of porous carbon particles // Physics and Chemistry of Solid State. – V. 12, No 2. – P.490-499. 5. Kalinchak V.V., Orlovskaya S.G.,. Kalinchak A.I, Dubinskiy A.V. Heat and mass exchange of a carbon particle with air, taking into account the Stefan flow and heat losses by radiation // Thermophysics of high temperatures.1996. – V.34, No 1.– P. 83 – 91. 6. Orlovska S.G. Investigation of the regularities of combustion of gas suspensions of carbon particles // Physics and Chemistry of Solid State. – 2015, V.16, No 1. – P.210- 216. Получено 17.10.2017 Received 17.10.2017

Воспламенение и горение газовзвесей углеродных частиц при различных температурах

Репозитарії

Схожі ресурси