Зажигание реакционноспособного вещества тепловым воздействием с ограниченным запасом тепла

В технологических процессах различных производств широко распространены процессы взрывчатого превращения [1]. Требование практики заключается в использовании положительных сторон явлений (большой выход энергии, получение нужных веществ и т. д.), а также, в устранении нежелательных пожаров и взрывов [2, 3], которые ежегодно приносят экономический, экологический и социальный ущерб. Инициирование горючих веществ в различных технологических процессах и природных явлениях, как правило, имеет тепловую природу. Знание фундаментальных закономерностей процесса, характеристик зажигания необходимо для оценки возможности возникновения пожаровзрывоопасных ситуаций, с другой стороны оценки эффективности и разработки устройств, предназначенных для обеспечения стабильных условий зажигания реакционноспособных веществ (РВ). С переходом на качественно новые источники инициирования, новые составы и структуры конденсированных РВ в настоящее время актуально исследование закономерностей процесса, временных и энергетических характеристик зажигания при различных способах внешнего теплового воздействия. Высокая стоимость экспериментальных работ, а в некоторых случаях невозможность проведения эксперимента по техническим причинам, повышают роль вычислительного эксперимента.

Особый интерес представляют процессы зажигания РВ при воздействии источников с ограниченным запасом тепла. Например, горячие частицы малых размеров, локальные очаги разогрева, импульсные высокоэнергетические воздействия могут являться источниками зажигания в специальных системах воспламенения, а также причиной воспламенения на производстве и в бытовых условиях (замыкание в системе электропроводки), в промышленности (промышленная пыль, искры от удара и трения), в строительстве (например, сварка). Локальные очаги разогрева возникают при поглощении излучения оптическими неоднородностями, находящимися в прозрачном для излучения.

РВ, или при адиабатическом сжатии газовых включений при ударе [4]. Важная часть проблемы связана с инициированием процесса, исследованием механизма и параметров зажигания, определением критических условий. Прикладная значимость подобного исследования связана с возрастающим числом техногенных аварий, пожаров и взрывов последних лет.

Анализ литературных источников показал, что малоизученными остаются вопросы влияния выгорания РВ и фазовых переходов в процессе зажигания, динамика возникновения высокотемпературных очагов на процесс зажигания. Нет сравнения параметров зажигания при различных способах инициирования.

Целью работы является:

• Моделирование и численное исследование закономерностей зажигания конденсированного вещества горячей частицей с учётом выгорания РВ в процессе прогрева. Определение критических условий и режимов зажигания, временных характеристик, влияния параметров системы на закономерности процесса, его режимы и критические условия. Исследование влияния фазовых переходов в инертной частице на процесс зажигания РВ.

• Сравнение характеристик зажигания РВ при различных способах внешнего теплового воздействия.

• Исследование динамики процесса зажигания при поглощении импульса излучения находящимися в РВ отдельными поглощающими центрами. Изучение влияния совокупности оптических неоднородностей на закономерности, параметры и пределы зажигания прозрачных веществ импульсом излучения.

Научная новизна работы:

• Определены закономерности и динамика процесса зажигания горячим инертным телом при учете выгорания РВ и фазовых переходов в инертном теле. Определены различные режимы зажигания и критические условия.

РВ. воспламенения. В надкритических определены времена индукции зависимости от параметров системы. в.

• Проведено сравнение времен зажигания и запасенных к моменту зажигания энергий при различных способах теплового инициирования РВ.

• Исследована динамика зажигания РВ при поглощении потока излучения находящимися в веществе оптическими неоднородностями. Определена зависимость критических параметров зажигания от радиуса поглощающей излучение частицы при длительном импульсе. Определен характер изменения параметров зажигания при воздействии коротких и длинных импульсов излучения, поглощаемых малыми и большими частицами.

• Исследовано влияние соседства поглощающих излучение частиц на режимы и параметры зажигания прозрачных РВ импульсом излучения. Определены особенности изменения критических параметров зажигания для совокупности мелких и крупных частиц.

Практическая значимость.

Полученные результаты исследования задачи зажигания РВ горячей инертной частицей позволяют провести оценки параметров взрывобезопасного состояния высокоэнергетических систем при воздействии на них частиц высокой температуры, а также временных параметров различных режимов зажигания.

Показана возможность применения критериев зажигания при инициировании конденсированного вещества горячим телом с конечным запасом тепла.

Результаты сравнения по временам инициирования и запасенным энергиям в РВ к моменту зажигания при различных способах внешнего теплового воздействия, исследования взаимосвязей между ними позволяют оптимизировать процесс инициирования конденсированного вещества:

Полученные закономерности и пределы^ зажигания веществ импульсом излучения, поглощаемого импульсом оптическими неоднородностями, можно использовать для качественного представления динамики процесса зажигания и анализа результатов воздействия на прозрачное вещество коротких и длинных импульсов излучения, для разработки систем быстрого и стабильного зажигания.

Результаты исследования взаимовлияния совокупности поглощающих излучение частиц на зажигание прозрачного вещества импульсом излучения можно использовать: 1) для оценки опасных концентраций оптических неоднородностей в РВ, 2) при разработке инициирующих составов и устройств.

Результаты решения фундаментальных задач теории зажигания используются в курсе лекций «Теоретическая макрокинетика», читаемом на физико-техническом факультете Томского государственного университета.

Работа выполнялась в рамках грантов Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 03−03−33 075, № 05−08−1 396 а, № 06−03−32 336 а), гранта Министерства образования РФ и CRDF в рамках программы BRHE (проект № 016−02).

Содержание работы:

IV.4 Выводы по главе IV.

1. При воздействии на прозрачное РВ импульса излучения, поглощаемого находящимися в РВ частицами, на пределе зажигания при коротких и средних длительностях импульса точка воспламенения находится от поверхности крупной частицы на расстоянии ~ (0.03-K).05)i?oВ случае малых частиц это расстояние по отношению к радиусу частицы значительно больше ~ (0.1⁰.15)i?0. При длинных импульсах точка воспламенения на пределе зажигания отдалятся от поверхности крупной частицы, в случае мелких частиц она приближается к поверхности частицы. Это связано с тем, что при зажигании крупной частицей ее температура значительно ниже, чем для мелкой частицей. В результате время зажигания крупной частицей значительно возрастает, увеличивается выгорание вблизи частицы и максимум скорости химического процесса смещается от поверхности, к.п.д. импульса излучения для зажигания возрастает с ростом длительности импульса, а энергетический вклад химического процесса к моменту зажигания остается на два порядка меньше кондуктивного теплоприхода от частицы.

2. На пределе зажигания более быстро зажигают РВ мелкие частицы, но это быстрое зажигание обеспечивает более мощный импульс. Предельная энергия импульса и запасенная от импульса в системе энергия тем меньше, чем меньше радиус частицы. При длительных импульсах с увеличением размера частиц, для зажигания РВ требуется меньшая плотность мощности потока излучения q0. При этом увеличивается время зажигания и увеличивается прогретая от частицы зона РВ.

3. Соседство поглощающих излучение частиц влияет на процесс зажигания РВ при достаточно близком их расположении. Коллективный эффект частиц приводит к уменьшению минимальной плотности энергии (мощности) импульса, необходимой для зажигания. При этом возможно изменение характера прохождения процесса и значительное возрастание времени зажигания. В надкритических условиях коллективный эффект приводит к уменьшению времени зажигания.

4. В случае мелких частиц, их соседство влияет прежде всего на критическую плотность энергии излучения при длительных импульсах. При этом значительно (на 2 порядка) уменьшается предельная плотность мощности излучения, точка воспламенения смещается от поверхности частицы, а время зажигания возрастает на три порядка.

5. В случае коротких импульсов влияние соседства мелких частиц на зажигание КРВ возможно лишь при еще больших их концентрациях (возрастает на 2 порядка по отношению к случаю длительных импульсов). Критические плотности мощности и энергии излучения при этом уменьшаются незначительно (на несколько процентов), но динамика процесса изменяется существенно — воспламенение происходит в режиме теплового взрыва при возрастании времени воспламенения на 3 порядка.

6. В случае крупных частиц их соседство прежде всего отражается на уменьшении времени зажигания при длинных импульсах излучения. Уменьшение предельной плотности энергии импульса происходит при дальнейшем увеличении концентрации: для длинного импульса на два порядка, для короткого — в два раза.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненное в работе исследование позволяет сделать следующие основные выводы.

1. При инициировании РВ частицей высокой температуры определены четыре различных режима прохождения процесса зажигания в зависимости от запаса тепла в частице и выгорания РВ. В фазовом пространстве (Td, d) определены области существования этих режимов и исследован характер их изменения в зависимости от температурного напора частицы. Фазовый переход в горячей частице вблизи критических условий влияет на процесс зажигания РВ, приводя к его неустойчивости. При этом критический размер частицы уменьшается, а время устойчивого зажигания существенно возрастает.

2. Сравнительный анализ зажигания конденсированного вещества при различных способах внешнего теплового воздействия показал: а) при увеличении запасенной в РВ к моменту зажигания энергии от внешнего источника время зажигания увеличивается при воздействии горячей поверхностью и лучистым потоком тепла и уменьшается для очага разогрева и при зажигании горячим телом с конечным запасом теплаб) при одинаковой запасенной к моменту зажигания в РВ энергии время очагового инициирования на два порядка меньше зажигания горячей поверхностью, лучистым потоком и инертным телом с конечным запасом теплав) при очаговом инициировании минимальная энергия и время зажигания наблюдается для П-образного очага разогрева.

3. Исследована динамика зажигания прозрачного РВ при поглощении потока излучения находящимися в веществе мелкими и крупными оптическими! неоднородностями в случае коротких и длинных импульсов излучения. Определенны зависимости предельных для зажигания плотностей мощности и энергии излучения от длительности импульса излучения. Определено влияние выгорания на процесс и пределы зажигания.

4. Влияние соседства поглощающих излучение частиц на процесс зажигания РВ проявляется при близком их расположении. Это влияние отражается на режимах, временных и предельных энергетических параметрах. Коллективный эффект частиц приводит к уменьшению времени зажигания, предельных плотности энергии короткого импульса и плотности мощности длинного импульса излучения. Сближение мелких частиц, прежде всего, отражается на уменьшении критических энергетических параметров импульса, а в случае крупных частиц — на временах зажигания.