firesmiПожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion SafetyPozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety0869-74932587-6201ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет»10.22227/0869-7493.2022.31.06.6-12firesmi-1175Research ArticleПРОЦЕССЫ ГОРЕНИЯ, ДЕТОНАЦИИ И ВЗРЫВАCOMBUSTION, DETONATION AND EXPLOSION PROCESSESЗависимость динамики горения полиэтилена в 1-м3 камере от дисперсности частицDependence of polyethylene combustion dynamics in a 1 m3 chamber on particle sizehttps://orcid.org/0000-0003-2586-8597ПолетаевН. Л.PoletaevN. L.

ПОЛЕТАЕВ Николай Львович, д-р техн. наук, ведущий научный сотрудник

143903, Московская обл., г. Балашиха, мкр. ВНИИПО, 12

 РИНЦ ID: 1093620

Nikolay L. POLETAEV, Dr. Sci. (Eng.), Leading Researcher

VNIIPO, 12, Balashikha, Moscow Region, 143903

ID RISC:1093620

nlpvniipo@mail.ruВсероссийский ордена «Знак Почета» научно-исследовательский институт противопожарной обороны Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствийРоссияAll-Russian Research Institute for Fire Protection of Ministry of Russian Federation for Civil Defense, Emergencies and Elimination of Consequences of Natural DisastersRussian Federation202202022023316612Copyright © Полетаев Н.Л., 20232023Полетаев Н.Л.Poletaev N.L.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.fire-smi.ru/jour/article/view/1175Введение

Введение. Результаты стандартного исследования взрывоопасности аэровзвесей полиэтилена (АВП) показывают, как взвеси могут способствовать развитию теории турбулентного горения АВП. Например, анализ сведений о полидисперсности и значениях бедного предела горения АВП в кубометровой камере позволил определить для полиэтилена максимальный размер взрывоопасных частиц d*m,t ≈ 100 мкм (Полетаев, 2014). В настоящей работе получена связь между динамикой горения АВП в 1-м3 камере и средним размером  частиц взвеси, под которым понимается средний размер частиц ее взрывоопасной фракции d*50.

Исходные данные

Исходные данные. Использовались известные результаты исследования взрыва 28 образцов полиэтилена в 1-м3 камере. Непрерывные функции распределения частиц образцов по размерам, необходимые для расчета d*50, представлялись распределениями Розина – Раммлера.

Динамика горения

Динамика горения. Динамика турбулентного горения АВП в 1-м3 камере описывается максимальной скоростью выгорания аэровзвеси Ub. Расчет Ub производили по формуле (Kumar, 1992), предназначенной для газовоздушных смесей, путем подстановки в эту формулу параметров взрыва АВП.

Результат работы и его обсуждение. Приведен график зависимости комплекса d*50Ub от d*50. Усредненное значение комплекса (≈ 45 мкм · (м/с)) постоянно в диапазоне 40 мкм < d*50 < 90 мкм. Последнее свойственно для произведения размера частиц на нормальную скорость ламинарного пламени в жидких аэрозолях (Myers, 1986), что говорит о подобии влияния дисперсности частиц на динамику турбулентного и ламинарного горения упомянутых гетерогенных смесей.

Выводы

Выводы. Дисперсность взрывоопасного полидисперсного образца полиэтилена определяется средним размером частиц взрывоопасной фракции образца d*50.

Подобие закономерностей горения указывает на близость механизмов распространения турбулентного пламени в АВП и ламинарного пламени в жидких аэрозолях.

Introduction

Introduction. The results of a standard study on the explosion hazard of polyethylene air suspensions (PES) can contribute to the theory of turbulent combustion. For example, analysis of polydispersity data and values of the PES lean combustion limit in a 1 m3 chamber helped to identify the maximum size of explosive particles d*m,t ≈ 100 µm (Poletaev, 2014). In this work, a relationship was obtained between the dynamics of PES combustion in a 1 m3 chamber and the average particle size of the suspension, which is understood as the average particle size of its explosive fraction d*50.

Initial data

Initial data. Well-known findings of a study on the explosion of 28 polyethylene specimens in a 1 m3 chamber were used. Continuous functions of specimen particles distribution by size, necessary for calculating d*50, were represented using the Rosin-Rammler distribution.

Combustion dynamics

Combustion dynamics. The dynamics of PES turbulent combustion in a 1 m3 chamber is described by the maximum rate of air suspension burnout Ub. Ub was calculated according to the formula (Kumar, 1992) intended for gas-air mixtures by substituting PES explosion parameters into this formula.

Results and its discussion. The graph, describing the dependence of the complex d*50Ub on d*50, is provided. The averaged value of the complex (≈ 45 µm · (m/s)) is constant in the range 40 µm < d*50 < 90 µm. The latter is typical for the product of the particle size and the normal velocity of laminar flame in liquid aerosols (Myers, 1986), which indicates similarity between the effect of particle dispersion and dynamics of turbulent and laminar combustion of the aforementioned heterogeneous mixtures.

Conclusions

Conclusions. The dispersive capacity of an explosive polydisperse polyethylene specimen is determined by the average particle size of the explosive fraction of the specimen d*50. The similarity of combustion patterns indicates the proximity of propagation mechanisms typical for turbulent flame, typical for PES, and laminar flame, typical for liquid aerosols.

пыль полиэтиленавзрывоопасная фракцияполидисперсностьтурбулентностьмеханизм горенияpolyethylene dustexplosive fractionpolydispersityturbulencecombustion mechanismReferencesEckhoff R.K. Dust explosions in the process industries 3rd ed. Boston : Gulf Professional Publishing/Elsevier, 2003. 720 p.Eckhoff R.K. Dust explosions in the process industries. 3rd ed. Boston, Gulf Professional Publishing/ Elsevier, 2003; 720.Butlin R.N. Polyethylene dust-air flames // Combustion and Flame. 1971. Vol. 17. Issue 3. Pp. 446–448. DOI: 10.1016/s0010-2180(71)80071-8Butlin R.N. Polyethylene dust-air flames. Combustion and Flame. 1971; 17(3):446-448. DOI: 10.1016/s0010-2180(71)80071-8Pang L., Cao J., Ma R., Zhao Y., Yang K. Risk assessment method of polyethylene dust explosion based on explosion parameters // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021. Vol. 69. P. 104397. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104397Pang L., Cao J., Ma R., Zhao Y., Yang K. Risk assessment method of polyethylene dust explosion based on explosion parameters. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2021; 69:104397. DOI: 10.1016/j.jlp.2021.104397Wang Y., Lin C., Qi Y., Pei B., Wang L., Ji W. Suppression of polyethylene dust explosion by sodium bicarbonate // Powder Technology. 2020. Vol. 367. Pp. 206–212. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.03.049Wang Y., Lin C., Qi Y., Pei B., Wang L., Ji W. Suppression of polyethylene dust explosion by sodium bicarbonate. Powder Technology. 2020; 367:206-212. DOI: 10.1016/j.powtec.2020.03.049Kazmi M.Z. Experimental study of polyethylene and sulfur dust explosion characteristics // Submitted to the Office of Graduate and Professional Studies of Texas A&M University in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science. 2018. 153 p. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/187126901.pdfKazmi M.Z. Experimental study of polyethylene and sulfur dust explosion characteristics. Submitted to the Office of Graduate and Professional Studies of Texas A&M University in partial fulfillment of the requirements for the degree of master of science. 2018; 153. URL: https://core.ac.uk/download/pdf/187126901.pdfПолетаев Н.Л. Расчетно-экспериментальная оценка максимального размера частиц взрывоопасной монодисперсной аэровзвеси // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2014. Т. 23. № 9. С. 15–26. DOI: 10.18322/PVB.2014.23.09.15-26Poletaev N.L. Experiment-calculated estimating of the maximum particle size of explosive monodisperse dust-air mixture. Pozharovzryvobezo pasnost/ Fire and Explosion Safety. 2014; 23(9):15-26. DOI: 10.18322/PVB.2014.23.09.15-26 (rus).Hertzberg M., Cashdollar K.L., Ng D.L., Conti R.S. Domains of flammability and thermal ignitability for pulverized coals and other dusts: Particle size dependences and microscopic residue analyses // Symposium (International) on Combustion. 1982. Vol. 19. Issue 1. Pp. 1169–1180. DOI: 10.1016/s0082-0784(82)80293-2Hertzberg M., Cashdollar K.L., Ng D.L., Conti R.S. Domains of flammability and thermal ignitability for pulverized coals and other dusts: Particle size dependences and microscopic residue analyses. Symposium (International) on Combustion. 1982; 19(1):1169-1180. DOI: 10.1016/s0082-0784(82)80293-2Полетаев Н.Л. Влияние дисперсности частиц на динамику горения алюминия в 1-м3 камере // Пожаровзрывобезопасность/Fire and Explosion Safety. 2022. Т. 31. № 5. С. 5–12. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.05.5-12Poletaev N.L. Particle size influence on the aluminum combustion dynamics in 1-m3 chamber. Pozharovzryvobezopasnost/Fire and Explosion Safety. 2022; 31(5): 5-12. DOI: 10.22227/0869-7493.2022.31.05.5-12 (rus).Gan B., Gao W., Jiang H., Li Y., Zhang Q., Bi M. Flame propagation behaviors and temperature characteristics in polyethylene dust explosions // Powder Technology. 2018. Vol. 328. Pp. 345–357. DOI: 10.1016/j.powtec.2018.01.061Gan B., Gao W., Jiang H., Li Y., Zhang Q., Bi M. Flame propagation behaviors and temperature characteristics in polyethylene dust explosions. Powder Technology. 2018; 328:345-357. DOI: 10.1016/j.powtec.2018.01.061Pang L., Zhao Y., Yang K., Zhai H., Lv P., Sun S. Law of variation for low density polyethylene dust explosion with different inert gases // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 58. Pp. 42–50. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.01.009Pang L., Zhao Y., Yang K., Zhai H., Lv P., Sun S. Law of variation for low density polyethylene dust explosion with different inert gases. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019; 58:42-50. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.01.009Santandrea A., Pacault S., Perrin L., Vignes A., Dufaud O. Nanopowders explosion: Influence of the dispersion characteristics // Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019. Vol. 62. P. 103942. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103942Santandrea A., Pacault S., Perrin L., Vignes A., Dufaud O. Nanopowders explosion: Influence of the dispersion characteristics. Journal of Loss Prevention in the Process Industries. 2019; 62:103942. DOI: 10.1016/j.jlp.2019.103942Tascon A. Influence of particle size distribution skewness on dust explosibility // Powder Technology. 2018. Vol. 338. Pp. 438–445. DOI: 10.1016/j.powtec.2018.07.044Tascon A. Influence of particle size distribution skewness on dust explosibility. Powder Technology. 2018; 338:438-445. DOI: 10.1016/j.powtec.2018.07.044Scholl E.W., Reeh D., Wiemann W. et al. Brenn – und Explosions – Kenngrossen von Stauben // SFTR eport. No. 2. Pp. 2-79. 100 S.Scholl E.W., Reeh D., Wiemann W. et al. Brenn – und Explosions – Kenngrossen von Stauben. SFT­Report. 2; 2 79:100. (ger).Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. 3-е изд. Л. : Химия, 1987. 264 с.Kouzov P.A. Fundamentals of the analysis of the disperse composition of industrial dusts and crushed materials. 3th ed. Leningrad, Himiya Publ., 1987; 264. (rus).Kumar R.K., Bowles E.M., Mintz K.J. Large-scale dust explosions experiments to determine the effects of scaling on explosion parameters // Combustion and Flame. 1992. Vol. 89. Pp. 320–332. DOI: 10.1016/0010-2180(92)90018-KKumar R.K., Bowles E.M., Mintz K.J. Large-scale dust explosions experiments to determine the effects of scaling on explosion parameters. Combustion and Flame. 1992; 89:320-332. DOI: 10.1016/0010-2180(92)90018-KBallal D.R. Flame propagation through dust clouds of carbon, coal, aluminium and magnesiumin an environmentof zero gravity // Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 1983. Vol. 385. Issue 1788. Pp. 21–51. DOI: 10.1098/rspa.1983.0003Ballal D.R. Flame propagation through dust clouds of carbon, coal, aluminium and magnesiumin an environmentof zero gravity. Proceedings of the Royal Society of London. A. Mathematical and Physical Sciences. 1983; 385(1788):21-51. DOI: 10.1098/rspa.1983.0003Sun P., Wu C., Zhu F., Wang S., Huang X. Microgravity combustion of polyethylene droplet in drop tower // Combustion and Flame. 2020. Vol. 222. Pp. 18–26. DOI: 10.1016/j.combustflame.2020.08.032Sun P., Wu C., Zhu F., Wang S., Huang X. Microgravity combustion of polyethylene droplet in drop tower. Combustion and Flame. 2020; 222:18-26. DOI: 10.1016/j.combustflame.2020.08.032Myers G.D., Lefebvre A.H. Flame propagation in heterogeneous mixtures of fuel drops and air // Combustion and Flame. 1986. Vol. 66. Issue 2. Pp. 193–210. DOI: 10.1016/0010-2180(86)90091-xMyers G.D., Lefebvre A.H. Flame propagation in heterogeneous mixtures of fuel drops and air. Combustion and Flame. 1986; 66(2):193-210. DOI: 10.1016/00102180(86)90091-xBallal D.R., Lefebvre A.H. Flame propagation in heterogeneous mixtures of fuel droplets, fuel vapor and air // Symposium (International) on Combustion. 1981. Vol. 18. Issue 1. Pp. 321–328. DOI: 10.1016/S0082-0784(81)80037-9Ballal D.R., Lefebvre A.H. Flame propagation in heterogeneous mixtures of fuel droplets, fuel vapor and air. Symposium (International) on Combustion. 1981; 18(1):321-328. DOI: 10.1016/S0082-0784(81)80037-9Fan L., Tian B., Chong C.T., Jaafar M.N.M., Tanno K., McGrath D. et al. The effect of fine droplets on laminar propagation speed of a strained acetone-m ethane flame: experiment and simulations // Combustion and Flame. 2021. Vol. 229. P. 111377. DOI: 10.1016/j.comustflame.2021.02.023Fan L., Tian B., Chong C.T., Jaafar M.N.M., Tanno K., McGrath D. et al. The effect of fine droplets on laminar propagation speed of a strained acetone-methane flame: experiment and simulations. Combustion and Flame. 2021; 229:111377. DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.02.023

The authors declare that there are no conflicts of interest present.