Mechanizm oddziaływania wody na płomień gazowy i pyłowy

Gieras, M.

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Mechanizm oddziaływania wody na płomień gazowy i pyłowy

Autorzy

Gieras M.

Identyfikatory

Warianty tytułu

Mechanism of water interaction with gaseous and dusty flames

Języki publikacji

Abstrakty

W pracy przedstawiono wyniki kompleksowych badań autora nad oddziaływaniem kropel wody na płomień gazowy i pyłowy z uwzględnieniem wpływu średnicy, prędkości i liczby podawanych kropel. W pierwszym etapie prowadzono badania zachowania się w płomieniu pojedynczych kropel zawieszonych na igle kwarcowej lub swobodnie spadających w polu grawitacyjnym. Ważnym elementem rozważań było wyeksponowanie w badanym zjawisku faktu dwustronnego oddziaływania między płomieniem i kroplą wody: z jednej strony zespołu procesów związanych z działaniem płomienia na kroplę, a z drugiej strony - zespołu procesów związanych z działaniem kropli na płomień. W drugim etapie przeprowadzono badania strug rozpylonej wody, w celu uogólnienia procesów zaobserwowanych podczas pierwszego etapu. W celu lepszego poznania mechanizmów oddziaływania między kroplami a płomieniem przeprowadzono badania również dla cząstek stałych - obojętnych oraz czynnych chemicznie. Zakres pracy obejmował także właściwy dobór i projekt rozpylaczy niezbędnych do uzyskania odpowiednich parametrów rozpylanej strugi wody. Stwierdzono, że woda może być bardzo dobrym środkiem gaśniczym, jeśli jest w odpowiedni sposób dostarczona do płomienia. Zastosowana do aktywnego superszybkiego systemu tłumienia wybuchów pyłowych i gazowych (realizowanego po części w ramach tej pracy) może skutecznie tłumić nawet bardzo szybko propagujące wybuchy, natomiast źle dobrane parametry rozpylanej strugi mogą stać się źródłem bardzo gwałtownej, niebezpiecznej dla człowieka akceleracji płomienia do prędkości wielokrotnie przewyższającej jego prędkość początkową. Opracowano proste modele matematyczne pozwalające wyliczyć maksymalne średnice kropel najskuteczniej gaszących płomień gazowy i pyłowy oraz pozwalające wyliczyć minimalne ilości wody potrzebnej do zgaszenia płomienia. Przeprowadzono symulacje procesów gaszenia i turbulizacji płomieni gazowych i pyłowych przez rozpylone strugi wody lub strugi cząstek neutralnych z uwzględnieniem wpływu na ten proces średnicy, prędkości oraz liczby podawanych kropel lub cząstek. Przedyskutowane zostało pojęcie optymalnej średnicy gaszącej kropli rozpylonej wody i praktyczne znaczenie tego faktu. Porównano wyniki otrzymane z badań doświadczalnych i teoretycznych.

The monograph contains the experimental and numerical results of the complex author's research into the interaction of water and other extinguishing media with propagating gaseous and dust flames. The research was focused on two main problems: the mechanism of interaction of single water droplets (fixed at the end of glass needle or free falling) with propagating flame and mechanism of flame quenching, or its acceleration, by water sprays. To gain a better understanding these problems the neutral sand particles and typical extinguishing powders were also used. Special dispersing nozzles were designed and constructed. Several different mechanism of water behaviour, during their contact with flame front, depending on droplet size and flame velocity, were observed and described. From conducted experiments, it appears that water sprays, when properly dispersed, can be very effective as the flame extinguishing agent. Experiments with tested active suppression system have shown that water is also very effective in suppression, even for very violent dust explosion. If the suppression systems are not able to deliver the required quantity of water of the appropriate dispersing spectrum to stop combustion, then the explosion can even propagate faster and can be more violent. Mathematical models of water droplet evaporation in flame front were made and the results from the calculation of the maximum diameter of a droplet which can completely evaporate in the flame front were plotted. The minimum quantities of water spray which can cause a totally quenching flame were presented. Also a simulation of the flame suppression process by water sprays or neutral particles were made for different droplets or particles size and velocity. The idea of an optimal water spray droplets extinguishing diameter was discussed.

Słowa kluczowe

sfera płomienia propagacja płomienia dysza rozpylająca tłumienie wybuchu płomień gazowy płomień pyłowy

flame zone flame propagation swirle nozzle explosion suppression gas flame dusty flame

Wydawca

Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej

Czasopismo

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Mechanika

Rocznik

2006

Tom

z. 212

Strony

3--112

Opis fizyczny

Bibliogr. 114 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Gieras M.

Instytut Techniki Cieplnej

Bibliografia

1. Williams F.: Combustion Theory. Addison-Wesley, New York 1988.
2. Wójcicki S.: Spalanie. WNT, Warszawa 1969.
3. Hertzberg M., Cashdollar K.: Industrial Dust Explosions. ASTM, Special Technical Publication 958, Philadelphia 1987.
4. Glassman L: Combustion. Academic Press, New York 1977.
5. Chomiak J.: Podstawowe problemy spalania. PWN, Warszawa 1977.
6. Chomiak J.: Combustion, a Study in Theory, Fact and Application. Abacus Press, Gordon and Breach Science Publishers, New York 1989.
7. Wolański P.: Grain Dust Explosion and Control. Project No. PL-ARS-135, Final Report, ITC PW, Warszawa 1993.
8. Bulewicz E.: Spalanie i paliwa. Rozdział I. Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1993.
9. Jarosiński J.: Techniki czystego spalania. WNT, Warszawa 1996.
10. Kowalewicz A.: Podstawy procesów spalania. WNT, Warszawa 2000.
11. Rasbash D., Rogowski Z.: Extinction of fires in liquids by cooling with water sprays. Combustion and Flame, 1957, vol. l, s. 453.
12. Rasbash D., Rogowski Z., Stark G.: Mechanism of extinction of fires in liquids using water sprays. Combustion and Flame, 1957, vol. 4, s. 223.
13. Schoen W., Droste B.: Investigation of water spraying system for LPG storage tanks by fullscale fire tests. J. of Hazardous Materials, 1988, vol. 20, s. 73-82.
14. Fullman B.: The fire protection of LPG vessels. Proc Gastech Physics. NLG/LLG Conference, Hamburg 1986.
15. McCaffrey B.: Jet diffusion flame suppression using water sprays - an interim report. Combustion Sci. and Tech., 1984, vol. 40, s. 107.
16. Evans D., Pfenning D.: Water sprays suppress gas - well blowout fires. Oil and Gas J., 1985, vol. 83, s. 80-86.
17. Liebman A., Richmond J., Grumer J.: Research on Suppression of Coal Dust Explosion by Water Barries. Proc. 16th Int. Conf. on Coal Mine Safety Research, Washington 1975.
18. Duplessis J., Brandt M., Vassard P.: Assessment of explosion barriers safety in mines research advisory committee. Finał Project Report COL 010, 1995.
19. Vincent G., Howard W.: Hydrocarbon mist explosion. Part I, II. Loss Prevention, 1987, vol. 10.
20. Ng D., Sapko M., Furno A., Pro R.: Coal dust and gas explosion suppression by barriers. Industrial Dust Explosions (Edited by K. Cashdollar and M. Herzberg). American Society for Testing and Materials, Philadelphia 1987, s. 138-151.
21. Zalosh R., Bajpai S.: Water for inerting of hydrogen - air mixtures. Proc. 2nd Int. Conf. on the Impact of Hydrogen on water reactor Safety, 1982.
22. Strona internetowa Christian Michelsen Research (CMR), Bergen, Norway, http://www.cmr.no/.
23. Gerstein M., Carlson E., Hill F.: Natural gas - air explosion at reduced pressure: detonation yelocities and pressures. Ind. Eng. Chem., 1954, vol. 46, s. 2558.
24. Thomas G., Edwards M., Edwards D.: Studies of detonation quenching by water sprays. Combustion Sci. and Tech., 1990, vol. 71, s. 233-245.
25. Thomas G., Jones A., Edwards M.: Influence of water sprays on explosion development in fuel - air mixtures. Combustion Sci. and Tech., 1991, vol. 80, s. 47.
26. Jones A., Thomas G.: The action of water sprays on fires and explosions: a review of experimental work. Trans IChemE, 1993, vol. 71, Part B.
27. Blouquin R., Joulin G.: On the quenching of premixed flames by water sprays: influences of radiation and polydispersity. Proc. of 27th Symp. (Int.) on Combustion/The Combustion Institute, 1998, s. 2829-2837.
28. Prasad K., Chiping Li, Kailasanath K.: Optimizng water-mist injection characteristics for suppression of coflow diffusion flames. 27th Symp. (Int.) on Combustion/The Combustion Institute, 1998, s. 2847-2855.
29. Prasad K., Kailasanath K., Ndubizu C., Ananth R., Tatem P.A.: Numerical modeling of fire suppression using water mist. 1. Gaseous Methane-Air Diffusion Flames NRL/MR/6410 98-8102, Naval Research Laboratory, Washington DC, Jan. 1998.
30. Lentati A., Chelliah H.: Physical, thermal, and chemical effets of fine-water droplets in extinguishing counterflow diffusion flames. 27th Symp. (Int.) on Combustion/The Combustion Institute, 1998, s. 2839-2846.
31. Lentati A., Chelliah H.: Optimizing water-mist injection characteristics for suppression of coflow diffusion flames. 27lh Symp. (Int.) on Combustion/The Combustion Institute, 1998, s. 2847-2855.
32. Lentati A., Chelliah H.: Dynamics of water Droplets in counterflow field and their effect on flame extinction. Combustion and Flame, 1998, vol. 115, s. 158-179.
33. Coppalle A., Nedelka D., Bauer B.: Fire protection: water curains. Fire Safety J., 1993, No 20, s. 241-255.
34. Sapko M.J., Furmo A.L., Kuchita J.M.: Quenching methane-air ignitions with water sprays. U.S. Bureau of Mines, investigation report 8214, 1977.
35. Murrel J., Crowhurst D., Rock P.: Experimental study of the thermal radiation attenuation of sprays from selected hydraulic nozzles. Proc. the 1995 Halon Options Technical Working Conf., Albuqueque, The University of New Mexico, 1995, s. 369-378.
36. Mitani T.: A flame inhibition theory by inert dust and spray. Comb. and Flame, 1981, vol. 43, s. 243-253.
37. Grin G.V., Sergeev V.S.: Heat transfer between a high-temperature flame and sprayed water. High Temperature, USSR, 1984, 22, s. 609-612.
38. Kaleta A.: Effect of droplet size on extinguishing effectiveness of a water spray. Archivum Combustionis, 1986, vol. 6, s. 201-212.
39. Hayes W.D. jr.: Literature survey on drop size data, measuring equipment, and a discussion of the significance of drop size in fire extinguishments. NBSIR 85-3100-1, National Bureau of Standards, 1985.
40. Williams F.A.: Scaling mass fires. Fire Res. Abst Rev., 1969, 11, s. 1-22.
41. Quintiere J.G.: Scaling applicatios in fire research. Fire Safety J., 1989, 15, s. 3-29.
42. Tamanini F.: The application the water sprays to the extinguishments of crib fires. Combustion Science and Technology, 1976, 14, s. 1-15.
43. Yang J.C., Boyer C.I. Grosshandler W.L.: Minimum mass flux requirements to suppress burning surfaces with water sprays. NISTIR 5795, National Institute of Standard and Technology, 1996.
44. Nash P., Rasbash D.J.: The use of water to extinguish fire. The Institute of Fire Engineers Annual Report, 1955, s. 93-116.
45. Jubileusz 40-lecia ITC PW. Biuletyn ITC. Wydanie specjalne. Warszawa 2001.
46. Orzechowski Z., Prywer J.: Rozpylanie cieczy w urządzeniach elektrycznych. WNT, Warszawa 1994.
47. Jarosiński J., Strehlow R., Azarbarzin A.: The mechanisms of lean limit extinquishment of an upward and downward propagation flame in a standard flammability tubę. 19th Symp. (Int.) on Combustion. The Combustion Institute, Pittsburgh 1982.
48. Gieras M., Wolański P.: Flame propagation and extinction in the hybrid mixtures at microgravity and normal gravity conditions. Archivum Combustionis, 1992, vol. 12, No 1-4.
49. Proust C.: Experimental determination of the flame temperatures. Archivum Combustionis, 1993, vol. 13.
50. Gieras M.: Constant volume explosion of organic dust - air mixture at microgravity and normal gravity. Archivum Combustionis, 2000, vol. 20, No 3-4, s. 73-91.
51. PN-84 (C011200/01, C011200/08, CO l 1200/09 i C011200/10), wyd. normalizacyjne "Alfa", Warszawa 1984.
52. Gieras M., Klemens R., Wójcicki S.: Ignition and combustion of coal particles under zero-gravity. Special issue of Acta Astronautica devoted to the 35th IAF Congress, 1985, vol. 12, No 7/8, s. 573-579.
53. Gieras M., Klemens R., Wolański P.: Experimental and theoretical study of ignition of single coal particles at zero gravity. Acta Astronautica, 1986, vol. 13, No 5, s. 231-239.
54. Gieras M., Klemens R., Wolański P., Wójcicki S.: Experimental and theoretical investigation into the ignition and combustion processes of single coal particles under zero and normal gravity conditions. Proc. of the Twenty First Int. Symp. on Combustion, Munich, 1986, s. 315-323.
55. Gieras M., Klemens R., Wolański P.: The mechanism of ignition and combustion of single coal particles in the presence of methane at normal and zero gravity. Proc. of the Shenyang Int. Symp. on Dust Explosions, Shenyang (China), 1987, Sept. 14-16, s. 45-64.
56. Klemens R., Gieras M., Szatan B.: Structure of dust-air flame. Archivum Combustionis, 2000, vol. 20, s. 41-48.
57. Fluent flow modeling software. User's guide. www.fluent.com.
58. Thomas G.O., Brenton J.R.: A study of turbulent flame acceleration in water sprays. Paper presented at the 14th Int. Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive System, Coimbra (Portugal) 1993.
59. Clift R., Grace R., Weber E.: Bubbles, drops and particles. Academic Press, New York 1978.
60. Wasowski T., Blauß E.: Wake phenomena behind solid and fluids particles. Chem.-Ing. Tech., 1987, nr 7, s. 544-555.
61. Elsner J.W.: Turbulencja przepływów. PWN, Warszawa 1987.
62. Prandtl L.: Dynamika płynów. PWN, Warszawa 1956.
63. Hinze J.O.: Turbulence. McGraw-Hill, New York 1975.
64. Szczetikow E.S.: Fizika gorienia gazów. Izd. Nauka, Moskwa 1965.
65. Libby P.A., Williams F.A.: Turbulent reactive flows. Springer, New York 1980.
66. Bray K.N.C.: Studies of the turbulent burning velocity. Proc. of the Royal Society of London, 1990, s. 315-335.
67. Bray K.N.C.: Turbulent reactive flows. Chapter 4, Springer, Berlin 1980.
68. Bray K.N.C.: The role of chemical kinetics in turbulent combustion studies. Joint Meeting of the German and Italian Section of the Combustion Institute, Cuen 1989.
69. Wingerden K., Wilkins B.: The influence of water spray on gas exploxions. Part 1: Water spray generated turbulence. Int. Symp. on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions, Bergen (Norway) 1996.
70. Wingerden K., Wilkins B.: The influence of water spray on gas exploxions. Part 21: Mitigation. Int. Symp. on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions, Bergen (Norway) 1996.
71. Gieras M.: Interaction of water droplets with propagating gaseous flames. Archivum Combustionis, 2000, vol. 20, No 1-2, s. 49-61.
72. Spalding D.B.: Combustion and mass transfer. A Textbook. Pergamon International Library, Publisher R. Maxwell, New York 1978.
73. Andrews G.E., Bradrey D.: The burning velocity of methane-air mixture. Combustion and Flame, 1972, vol. 18.
74. Mazurkiewicz J., Jarosiński J.: Temperature and laminar burning velocity of cornstarch dustair flames. Proc. of the Four Int. Colloquium on Dust Explosions, Porąbka-Kozubnik 1990.
75. Gieras M.: Interaction of water sprays with gaseous flames. Archivum Combustionis, 2001, vol. 21, No 4, s. 245-260.
76. Ranger A.A., Nicholls J.A.: Aerodynamic shattering of liquid drops. AJAA J., 1969, vol. 7, No 2.
77. Ranz W.E., Marshall W.R.: Evaporation from drops. Chem. Eng Prog., 1952, 48.
78. Wiśniewski S., Wiśniewski T.: Wymiana ciepła. WNT, Warszawa 1997.
79. Rasbash D.J.: Heat transfer between water sprays and flames of freely burning fires. Proc. of Symp. on the Interaction of Fluids and Particles. Institution of Chemical Engineers, 1962, s. 217-23.
80. Herterich O.: Water as an extinguishing agent. Alfred Huthing Publishing Company, Heidelberg 1960.
81. Grant G., Brenton J., Drysdale D.: Fire suppression by water sprays. Progress in Energy and Combustion Science, 2000, vol. 26, No 2, s. 79-130.
82. Ryżyk I., Gradsztein L: Tablice całek, sum, szeregów i iloczynów. PWN, Warszawa 1964.
83. JANAF Thermochemical Tables. Ed. 3. American Institute of Physics. National Bureau of Standards, Washington 1986.
84. Poradnik fizykochemiczny. WNT, Warszawa 1974.
85. Ražnjevič K.: Tablice cieplne z wykresami. WNT, Warszawa 1966.
86. Ksandopulo G., Dubinin W.: Chimia gazofaznogo gorienia. Chimia, Moskwa 1987.
87. Gogół W.: Wymiana ciepła. Tablice i wykresy. Wyd. Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1984.
88. Gieras M., Klemens R., Wolański P., Maranda A., Nowaczewski J.: Suppression of dust explosion triggered by explosive charge. Proc. of the 6th Int. Colloquium on Dust Explosions, Shenyang, 1994, August 29-September 2, s. 484-490.
89. Gieras M., Klemens R., Wolański P., Maranda A., Nowaczewski J.: Study of dust explosion suppression process triggered by explosive charge. Proc. of the Al-Azhar Engineering Fourth Int. Conf, December 16-19, Cairo 1995, vol. 8, s. 49-60.
90. Gieras M., Klemens R., Wolański P., Maranda A., Nowaczewski J.: Dust explosion supression by means of cumulative charge. Proc. of the VI Symp. on Systems Safety, Kiekrz 10-13.06. 1996, Part 2, s. 62-69.
91. Gieras M., Klemens R., Wolański P., Maranda A., Nowaczewski J.: Supppression of dust explosion by means of explosive charge. Proc. of the Int. Symp. on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions, Bergen (Norway), 23-26 June, 1996, s. 8.11-8.23.
92. Gieras M., Klemens R., Wolański P., Maranda A., Nowaczewski J., Paszula J.: Wybuchowa metoda otwierania gaśnic proszkowych. Mat. Międzynarodowej Konf. Materiały Wybuchowe i Technika Strzelnicza, Aktualny Stan i Perspektywy Rozwoju, Ustroń-Jaszowiec 1996, s. 222-230.
93. Gieras M., Klemens R., Wolański P., Maranda A., Nowaczewski J., Paszula J.: Suppression of dust explosion by means of explosive charge. Proc. of the Eighth Int. Combustion on Dust Explosions, Schaumburg (Illinois, USA), 21-25 September 1998.
94. Gieras M., Klemens R., Wolański P., Maranda A., Nowaczewski J., Paszula J.: Suppression of dust explosions by means of different explosive charges. J. of Loss Prevention in the Process Industries, 2000, vol. 13, s. 265-275.
95. May K.R.: The measurement of airborne droplets by the magnesium oxide method. J. of Science and Industry, 1950, vol. 27, 128-130.
96. Orzechowski Z., Prywer J.: Rozpylanie cieczy. WNT, Warszawa 1991.
97. Yakhot V., Orszag C.G., Thangam S., Gatski T.B., Speziale C.G.: Development of turbulence models for shear flows by double expansion technique. Phys. Fluids, 1992, 4, s. 1510.
98. Gieras M.: Influence of neutral particle concentration on flame propagation in methane-air mixtures at zero and normal gravity conditions. Proc. VIIIthEuropean Symposium on Materials and Fluid Science in Microgravity, Brussels 1992, s. 773-778.
99. Eggleston W., Herrera W.R., Pish M.E.: Waterspray to reduce vapour cloud spray. Loss Prevention, 1976, vol. 10, s. 31-40.
100. Klemens R., Gieras M.: Projekt nr 99999993049203, KBN. Badanie wybuchów pyłowych. Sprawozdanie. ITC PW, Warszawa 1995.
101. Gieras M., Klemens R., Karata G., Wolański P.: Determination of explosion parameters of methane-air mixtures in the chamber of 40 dm3 at normal and elevated temperature. The Fifth Int. Symp. on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions, Proc., Cracow 2004.
102. Wang X.F., Lefebvre A.H.: Mean drop sizes from pressure-swirl nozzles. J. of Propulsion and Power, 1987, vol. 3, No l, s. 11-18.
103. Gieras M., Klemens R.: Studies of dust explosion suppression by water sprays and extinguishing powders. J. de Physique IV (IV ISHPMIE Proc.), 2002, vol. 12, s. 149-156.
104. Gieras M., Klemens R., Wolański P.: Evaluation of turbulent burning velocity for dust mixtures. Proc. of the Int. Symp. on Hazards, Prevention and Mitigation of Industrial Explosions. Bergen (Norway), 1996, s. 5.35-5.51.
105. Gieras M., Klemens R., Szatan B., Wolański P.: Study of explosion dynamics of dust-air mixtures. Proc. of the Fourth Asian-Pacific Int. Symp. on Combustion and Energy Utilisation, Bangkok 1997, s. 141-153.
106. Klemens R., Gieras M., Szatan B., Wolański P., Maranda A., Nowaczewski J., Paszula J.: Energetic materials as gas generators in explosions suppression systems. Begell House, New York, 2002, s. 949-960, (rozdz. książki).
107. Wilczkowski S., Sitkiewicz J.: Informator o środkach gaśniczych. Biuro Wydawnicze "Chemia", Warszawa 1974.
108. Hamins A.: Flame extinction by sodium bicarbonate powder in a cup burner. Proc. of the Twenty Seventh Symp. (Inter.) on Combustion. The Combustion Institute, 1998, s. 2858-2864.
109. Orzechowski Z., Prywer J.: Rozpylanie cieczy w urządzeniach elektrycznych. WNT, Warszawa 1994.
110. FLACS-98 User' Guide, GexCon A Company in the CMR Group, Bergen Norway.
111. Eckhoff R.K.: Dust explosion in process industries. Butterworth-Heinemann 1991.
112. Hartmann I., Nagy J., Brown M.R.: Inflammability and explosibility of metal powders. Rep. Inv. 3722, U.S. Bureau of Mines, 1943.
113. Siwek R.: 20-1 Laborapparatur für die Bestimmung der Explosions kenngrössen brennbarer Stäube. Diploma Thesis. Technical University of Winterthur, Switzerland 1977.
114. Bartknecht W.: Explosions. Springer, New York 1980.

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-article-PWA7-0019-0017