Закономерности прогорания пористых огнепреградителей.

Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Намятов И.Г. (ИХКГ СО РАН)
*Рычков А.Д. (ИВТ СО РАН)
**Сеначин П.К. (АлтГТУ им. Ползунова И.И.)

1. Общая формулировка научной проблемы и ее актуальность.

Нестационарные процессы фильтрационного горения газа.
Фильтрационное горение газа (ФГГ) в режиме низких скоростей (РНС) обладает рядом свойств, привлекательных с точки зрения практики, что обеспечивает повышенный интерес исследователей и инженеров к этому классу процессов горения. В реальных горелочных устройствах ФГГ часто протекает в условиях переменных параметров системы: скорости фильтрации (реверс-процесс, цилиндрические горелки), характеристик пористой среды (горение, стабилизированное на границе сред). Кроме того, процессы в реальных горелочных устройствах, как правило, включают такие нестационарные стадии, как зажигание и гашение волн ФГГ. В связи с этим большое значение приобретает исследование нестационарных процессов ФГГ.

2. Конкретная решаемая в работе задача и ее значение.

Изучение закономерностей прогорания пористых огнепреградителей.
Огнепреградителями называют устройства, предназначенные для предотвращения проникновения пламени в технологическое оборудование во взрывоопасных производствах. Огнепреграждающий элемент огнепреградителя представляет собой слой пористой среды с определенными характеристиками. Он не препятствует течению газа, но в случае аварийного воспламенения газа за огнепреградителем предотвращает проскок пламени в защищаемый объем. Действие пористых огнепреградителей основано на концепции критического диаметра каналов, являющейся следствием теории пределов распространения пламени. Физической причиной гашения пламени в каналах с диаметром, меньшим критического, является снижение температуры пламени за счет теплопотерь в стенки канала.

Промышленные огнепреградители, как правило, эксплуатируются в условиях постоянного потока горючего газа. В этих условиях часто наблюдается проникновение пламени через огнепреградитель, несмотря на то, что эффективный диаметр каналов огнепреградителя меньше критического. Это явление называют “прогоранием” огнепреградителя. Прогорание связывают с установлением на выходной (по потоку) поверхности огнепреградителя факела пламени, возникшего в результате аварийного воспламенения газовой смеси за огнепреградителем. Стабилизированный факел пламени теплопроводностью и излучением прогревает пористый огнепреградительный элемент. Это ухудшает теплоотводящие свойства огнепреградительного элемента и, как следствие, приводит к потере им гасящих свойств. Данный цикл работ посвящен исследованию закономерностей процесса прогорания и поиску путей повышения огнестойкости огнепреградителей.

3. Используемые подходы, новизна и оригинальность.

Основным идейно-методическим подходом к решению поставленной задачи является применение к анализу процесса прогорания огнепреградителей идеологии фильтрационного горения газа (ФГГ). До недавнего времени прогорание огнепреградителей анализировалось как процесс прогрева огнепреградительного элемента факелом пламени, стабилизированным на выходной границе пористого огнепреградительного элемента, с последующим проскоком пламени по каналам прогретой пористой среды. Развитие представлений о ФГГ позволило откорректировать представления о природе процесса прогорания. Стало ясно, что прогорание – это распространение волны ФГГ в режиме низких скоростей. Принципиальное отличие подхода, предложенного в настоящем цикле работ, от используемого ранее, состоит в том, что распространение пламени через пористую среду в процессе прогорания предполагается не в режиме обычного пламени по предварительно прогретой пористой среде, а в режиме самоподдерживающейся волны ФГГ, представляющей собой не только тепловую волну в пористой среде, но и связанную с ней волну экзотермического химического превращения в газе.

4. Полученные результаты и их значимость.

  1. Экспериментально и теоретически показано, что процесс прогорания состоит из двух стадий – нестационарной стадии формирования волны горения в пористом блоке огнереградителя и стадии квазистационарного распространения по нему; характерные времена двух стадий соизмеримы. Огнестойкость огнепреградителя определяется суммой времен формирования и распространения.
  2. Формирование волны горения в огнепреградителе, так же, как и распространение по нему, возможно в ограниченном диапазоне скоростей газа; за счет стадии формирования параметрическая область прогорания огнепреградителя может быть существенно сужена.
  3. Время входа пламени в пористый блок и время распространения по нему являются немонотонными, имеющими минимум, функциями скорости газа.
  4. Время входа пламени в огнепреграждающий элемент можно менять в широком диапазоне за счет тонких прослоек, с параметрами, отличными от параметров основного пористого блока.
  5. Наличие теплового контакта огнепреграждающего элемента с корпусом огнепреградителя, прогреваемым продуктами сгорания, увеличивает время входа при малых скоростях газа и уменьшает – при больших.
  6. Численный анализ процесса прогорания пористых огнепреградителей показал, что огнестойкость канальных пламегасящих элементов определяется стадией входа пламени в пористую среду, а насыпных – стадией распространения пламени по пористому элементу.
  7. С целью повышения огнестойкости пламегасящий элемент канального огнепреградителя целесообразно изготавливать из высокотеплопроводных материалов.
  8. Пламегасящий элемент в виде монолитного перфорированного блока позволяет в наилучшей степени оптимизировать защитные свойства огнепреградителей.
Фундаментальное значение: данный цикл работ дает существенный вклад в развитие представлений о нестационарных процессах ФГГ. В частности, впервые рассмотрен вопрос о зажигании волны ФГГ пламенем, стабилизированным на поверхности пористой среды.
Прикладное значение: впервые проанализированы и научно обоснованы пути повышения огнестойкости огнепреградителей.

5. Уровень полученных результатов в сравнении с мировым.

Работы поддерживались грантами:
РФФИ 07-08-00123 и Комплексного интеграционного гранта СО РАН и НАНУ (проект №60, 2009)
Результаты работ докладывались на международных и российских научных конференциях:
1. Международная конференция “Сопряженные задачи механики реагирующих сред, информатики и экологии”. 25-27 июня 2007 г. Томск, устный.
2. IX Всероссийская конференция “Современные методы математического моделирования природных и антропогенных катастроф.” Барнаул, 17-22 сентября 2007 г., устный.
3. ICMAR. International Conference on the Methods of Aerophysical Research. June 30 – July 6, 2008, устный
4. 7th International conference “Mathematical modeling of dangerous natural phenomena and catastrophcs”. Tomsk, 2008, устный. 5. II Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием, г. Барнаул, 1-4 октября 2008 г., устный.

6. Вклад авторского коллектива.

Вклад сотрудников Института определяющий.

Список прилагаемых статей.
  1. Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Намятов И.Г., Рычков А.Д. Закономерности распространения пламени через насадку коммуникационных огнепреградителей. Физика горения и взрыва. Т. 43, № 4, С. 23-38. 2007.
  2. Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Рычков А.Д. , Закономерности прогорания пористых огнепреградителей с канальныи пламегасящим элементом, Физика горения и взрыва. Т. 45, № 3, С. 35-43. 2009.
  3. Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Намятов И.Г., Рычков А.Д. Экспериментальное и теоретическое исследование процесса прогорания засыпных огнепреградителей. Пожарная безопасность. 2006, № 5, с. 59-72.
  4. Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Рычков П.К., Сеначин П.К. Особенности прогорания засыпных и канальных огнепреградителей. Ползуновский вестник. №4. 2007. С. 33-38.
  5. Kakutkina N.A., Korzhavin A.A., Rychkov A.D. Peculiarities of burning-through of grain and channel types of porous flame-arresters. In: International Conference on the Methods of Aerophysical Research: /Ed. V.M. Fomin. Novosibirsk. 2008. ISBN 978-5-98901-040-0. (CD-version). P. 1-8.
  6. Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Рычков А.Д. Математическое моделирование работы пористых огнепреградителей в режиме прогорания. Вычислительные технологии. Т. 13. 2008. С. 212-219.
  7. Какуткина Н.А., Коржавин А.А., Рычков А.Д., Сеначин П.К. Пути повышения огнестойкости пористых огнепреградителей. В: Энергетические, экологические и технологические проблемы экономики (ЭЭТПЭ-2008) // Материалы II Всероссийской научно-практической конференции с международным участием / Под ред. Д.Д. Матиевского, П.К. Сеначина / Алт. гос. техн. ун-т им. И.И. Ползунова, г. Барнаул, 1-4 октября 2008 г. – Барнаул: ОАО “Алтайский дом печати”, 2008. С. 286-290.