Zjawisko detonacji mieszanin pyłowych: przegląd stanu wiedzy

• Autorzy: Porowski R.

Warianty tytułu

EN

Dust Detonation Phenomenon: State of the Art

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Cel: Celem artykułu jest przedstawienie przeglądu stanu wiedzy w zakresie detonacji mieszanin pyłowych. Opisano prace badawcze prowadzone przez ośrodki naukowe na całym świecie, ze szczególnym nastawieniem na badania eksperymentalne detonacji mieszanin pyłowo-powietrznych i pyłowo-tlenowych oraz mierzone podczas tych badań parametry detonacji. Wyjaśniono również podstawy teoretyczne propagacji fali spalania w kanałach rurach oraz zjawisko przejścia do detonacji (DDT). Wprowadzenie: W większości urządzeń i aparatów procesowych stosowanych w przemyśle, w których wykorzystuje się pyły palne, zjawisko spalania występuje w formie deflagracji, gdzie transport ciepła i masy odgrywa bardzo znaczącą rolę. Deflagracja stanowi tzw. „poddźwiękowy” rodzaj spalania, w którym reakcje chemiczne procesu spalania zachodzą pod prawie stałym ciśnieniem. Front fali spalania deflagracyjnego rozprzestrzenia się z prędkością, która jest sumą prędkości płomienia oraz prędkości rozprzestrzeniania się produktów spalania. Jeśli prędkość płomienia będzie wystarczająco niska, tak jak wcześniej wspomniano, zjawisko spalania przebiegało będzie pod stałym ciśnieniem. W przeciwnym przypadku powstaną pewne zakłócenia (turbulencje) oraz wzrost ciśnienia. Wówczas front płomienia będzie przyspieszał, rozprzestrzeniając się jako tzw. fala spalania poprzedzająca falę uderzeniową. Dalsze przyspieszanie frontu płomienia może spowodować proces przejścia z deflagracji w detonację. Zjawisko detonacji mieszanin pyłowych jest raczej jednostkowym, skrajnym przypadkiem propagacji płomienia w warunkach przemysłowych, co nie oznacza oczywiście, że niemożliwym do wystąpienia. Metodologia: Artykuł został opracowany na podstawie przeglądu literatury, dostępnych w publikacjach wyników prac naukowych dotyczących zjawiska detonacji w mieszaninach pyłowych. Wnioski: Pomimo że badania detonacji w mieszaninach pyłowych prowadzone są już od wielu lat przez czołowe ośrodki naukowe na świecie, to w dalszym ciągu istnieje potrzeba poznania podstawowych parametrów tego procesu oraz czynników mających wpływ na to zjawisko. Szczególnie istotne z praktycznego punktu widzenia bezpieczeństwa w przemyśle wydaje się być opracowanie bazy danych o parametrach detonacji w mieszaninach pyłowych, takich jak przede wszystkim szerokość komórki detonacji, granice detonacji, prędkości detonacji, odległości rozbiegowe do DDT, jak również krytyczny rozmiar cząstek pyłu, w których możliwe byłoby przejście od spalania deflagracyjnego do detonacji w mieszaninach pyłowych.

EN

Aim: The aim of this paper is to present a state of the art on dust detonation phenomenon. The author described some research works done in different research institutions, including experimental works on dust-air and dust-oxygen detonations and measured parameters, e.g. pressure and velocity profiles. The author also described some fundamental theories on blast wave propagation in tubes and channels as well as a phenomenon called deflagration-to-detonation transition (DDT). Introduction: In most processes equipment and apparatuses in industry, where flammable dusts are handled, combustion phenomenon exists as the deflagration flame with great influence of heat and mass transfer. Deflagration is a mode of subsonic combustion wave, where chemical kinetics undergoes under almost constant pressure. Deflagration front propagates with velocity, which is a sum of flame speed and combustion products velocity. If the flame speed will be low enough then combustion occurred at almost constant pressure. In other way there will be some turbulence at the flame front and pressure will increase. Flame front will accelerate and in some circumstances the deflagration to detonation process will occur. Dust detonation phenomenon seems to be an unique case of flame dusts. Heat transfer from the burning dust cloud to the unburnt part does not proceed by the diffusion like in the deflagration explosion. It is possible by extremely fast compression of unburnt mixture covered by the shock wave propagating with high-speed velocity. Methodology: Paper was prepared based on the state of the art taken from available literature and results of experimental works on dust detonation phenomenon. Conclusions: Research in dust detonation phenomenon is the ongoing process from many years but there is still a gap of knowledge of fundamental parameters and correlations. An important matter could be to provide the database of detonation cell size, propagation velocity, detonation limits, run-up distance and also some critical size of dust particle supporting DDT in dust mixtures.

Słowa kluczowe

PL

detonacja; DDT; zagrożenie wybuchem; pyły palne

EN

detonation; DDT; explosion hazards; combustible dust

• Wydawca: Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego - Państwowy Instytut Badawczy
• Czasopismo: Bezpieczeństwo i Technika Pożarnicza
• Rocznik: 2014
• Tom: Nr 4
• Strony: 85--93
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., il.

Twórcy

autor

Porowski R.

• Centrum Naukowo-Badawcze Ochrony Przeciwpożarowej im. Józefa Tuliszkowskiego Państwowy Instytut Badawczy; ul. Nadwiślańska 213, 05-420 Józefów

Bibliografia

• 1. Law C.K., Combustion physics, Cambridge University Press, Cambridge 2006.
• 2. Lee J.H.S., The detonation phenomenon, Cambridge University Press, Cambridge 2008.
• 3. Nettleton M.A., Gaseous detonations: their nature, effects and control, Chapman and Hall Ltd., London 1987.
• 4. Mannan S. (red.), Lee’s Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 2, Third Edition, Elsevier, Oxford, UK 2005.
• 5. Eckhoff R.K., Dust explosion in the process industries, Gulf Professional Publishing, Boston 2003.
• 6. Babrauskas V., Ignition handbook, SFPE, 2003.
• 7. Lee J.H.S., Zhang F., Knystautas R., Propagation mechanisms of combustion waves in dust-air mixtures, „Powder Technology”, Vol. 71, Issue 2, 1992, pp. 153-162.
• 8. Proust Ch., Dust explosions in pipes: an overview, „Journal of Loss Prevention in the Process Industries”, Vol. 9, Issue 4, 1996, pp. 267-277.
• 9. Kauffman C.W., Wolański P., Arisoy A., Dust, hybrid and dusty detonations, [w:] Dynamics of Shock Waves, Explosions, and Detonations. Progress in Astronautics and Aeronautics, R. I. Soloukhin; A. K. Oppenheim; N. Manson; J. R. Bowen (red.), New York 1985.
• 10. Gardner B.R., Winter R.J., and Moore M.J., Explosion Developmentand deflagration-to-detonation transition in coal dust/air suspensions, „Proceedings of 21 International Symposium on Combustion”, Volume 21, Issue 1, pp. 335-343, 1988.
• 11. Shepherd J.E., Lee J.H.S., On the transition from deflagration to detonation, [w:] Major Research Topics in Combustion, M. Y. Hussaini, A. Kumar, R. G. Voigt (red.), Springer, New York 1992, 439-487.
• 12. Wolański P., Deflagration and detonation combustion of dust mixtures, [w:] Dynamics of Deflagrations and Reactive Systems: Heterogeneous Combustion. Progress in Astronautics and Aeronautics, A. A. Borisov, A. L. Kuhl, W. A. Sirignano, J. C. Leyer (red.), Vol. 132, New York 1991, 3-31.
• 13. Greenwald H.P., Wheeler R.V., Coal dust explosions – The effect of release of pressure on their development, „Safety in Mines Research Board”, Paper no. 14, 1925, pp. 3-12.
• 14. Cybulski W., Explosibility of coal dust of very high fineness, [w:] Proceedings of 7 International Conference of Directors of Safety of Mines Research, H.F. Coward (red.), Dortmund 1952.
• 15. Wolański P., Lee D., Sichel M., The structure of dust detonations, [w:] Dynamics of Shock Waves, Explosions, and Detonations. Progress in Astronautics and Aeronautics, R. I. Soloukhin; A. K. Oppenheim; N. Manson; J. R. Bowen (red.), Vol. 94, New York 1985, 241-263.
• 16. Kulikovskii V.A., Existence of convergent Chapman-Jouguet detonation waves in dust-laden gas, „Combustion, Explosion and Shock Waves”, Vol. 23, Issue 1, 1987, pp. 31-36.
• 17. Zhang F., Phanomene von Wellen in Medien, Part II: Stabile Detonationen in einer Zweiphasenstromung aus reaktiven Teilchen und Gas, Rozprawa doktorska, Technical University of Aachen, Germany 1989.
• 18. Wójcicki S., Teodorczyk A., Detonacja mieszaniny pyłowo-powietrznej, Pierwsza Krajowa Szkoła Wybuchowości Pyłów Przemysłowych, Karpacz 1978.
• 19. Kauffman C.W., Nicholls J.A., Wolański P., Detonacja w mieszaninach pyłowo-powietrznych, Druga Krajowa Szkoła Wybuchowości Pyłów Przemysłowych, Częstochowa 1980.
• 20. Lebecki K., Zagrożenia pyłowe w górnictwie, Główny Instytut Górnictwa, Katowice 2004.
• 21. Wolański P. (red.), Grain dust explosion and control – Final report, Project no. PL-ARS-135, Warszawa 1993.
• 22. Zhang F., Grönig H., DDT and detonation waves in dust-air mixtures, „Shock Waves”, Vol. 11, Issue 1, 2001, pp. 53-71.
• 23. Gelfand B.S., Medvedev A., Polenov. A., Bartenev A., Shock waves from expansion of burning dust clouds, „Combustion, Explosion and Shock Waves”, Vol. 26, Issue 3, 1990, pp. 329-334.
• 24. Tulis A.J., Sumida W.K., Heberlein D.C., Detonation tube studies of particle size and RDX sensitization of aluminium powder-air with regard to spinning and/or multiple front detonations, [w:] Proceedings of the Fifth International Colloquium on Dust Explosions, Wolański P. (red.), Oficyna Wydawn. Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1993.
• 25. Zhang F., Murray S.B., Gerrard K.B., Aluminum particles-air detonation at elevated pressures, „Shock Waves”, Vol. 15, Issue 5, 2006, pp. 313-324.
• 26. Klemens R., Kapuściński M., Woliński M., Wolański P., Sichel M., Investigation of organic dust detonation in the presence of chemically inert particles, „Combustion and Flame”, Vol. 99, Issues 3-4, 1994, pp. 742-748.
• 27. Liu Q., Li X., Bai C., Deflagration to detonation transition in aluminum dust-air mixture under weak ignition condition, „Combustion and Flame”, Vol. 156, Issue 4, 2009, pp. 914-921.
• 28. Liu Q., Bai C., Jiang L., Dai W., Deflagration to detonation transition in nitromethane mist-aluminum dust-air mixture, „Combustion and Flame”, Vol. 157, Issue 1, 2010, pp. 106-117.

Uwagi

PL

Publikacja powstała w ramach realizacji projektu rozwojowego DOBR-BIO4/052/13073/2013 pt. „Innowacyjne technologie zabezpieczeń przed wybuchem, w tym obiektów szczególnie chronionych”, finansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.