Зависимость динамики горения полиэтилена в 1-м³ камере от дисперсности частиц

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. 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 турбулентного горения АВП в 1-м³ камере описывается максимальной скоростью выгорания аэровзвеси U_b. Расчет U_b 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^*₅₀U_b 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. 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.

1. Eckhoff R.K. Dust explosions in the process industries 3rd ed. Boston : Gulf Professional Publishing/Elsevier, 2003. 720 p.

2. Butlin R.N. Polyethylene dust-air flames // Combustion and Flame. 1971. Vol. 17. Issue 3. Pp. 446–448. DOI: 10.1016/s0010-2180(71)80071-8

3. Pang 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.2021.104397

4. Wang 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.2020.03.049

5. Kazmi 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.pdf

6. Полетаев 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.2014.23.09.15-26

7. 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)80293-2

8. Полетаев 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: 10.22227/0869-7493.2022.31.05.5-12

9. 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.2018.01.061

10. Pang 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.2019.01.009

11. Santandrea 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.2019.103942

12. Tascon A. Influence of particle size distribution skewness on dust explosibility // Powder Technology. 2018. Vol. 338. Pp. 438–445. DOI: 10.1016/j.powtec.2018.07.044

13. Scholl E.W., Reeh D., Wiemann W. et al. Brenn – und Explosions – Kenngrossen von Stauben // SFTR eport. No. 2. Pp. 2-79. 100 S.

14. Коузов П.А. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. 3-е изд. Л. : Химия, 1987. 264 с.

15. 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-K

16. Ballal 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.1983.0003

17. Sun 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.2020.08.032

18. Myers 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-x

19. Ballal 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)80037-9

20. Fan 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.2021.02.023