不同壓力下乙烷噴射火火焰特征研究?

齊玉鳳 彭 旭 楊 森 何中其

①南京理工大學(xué)化工學(xué)院(江蘇南京，210094)②江蘇省特種安全防護(hù)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心(江蘇泰州，225300)

引言

乙烷是天然氣中第二大組成成分，也是工業(yè)中常用的制冷劑和裂解劑，在我國應(yīng)用廣泛，一旦發(fā)生火災(zāi)，后果不堪設(shè)想。然而，目前國內(nèi)外缺乏對(duì)乙烷噴射火、防火防爆相關(guān)問題的研究。噴射火對(duì)外界傷害的主要作用方式是熱輻射[1]，近年來，噴射火的熱輻射特性得到了廣泛研究。Cirrone等[2]進(jìn)行了低溫氫噴射火熱輻射研究，針對(duì)3種不同的湍流模型，對(duì)低溫氫的火焰長度和輻射熱通量分別進(jìn)行試驗(yàn)和模擬，建立了預(yù)測熱危害的理論模型。Sun等[3]采用理論計(jì)算與模擬方法研究射流火焰的溫度分布，分析了射流速度和泄漏孔的寬高比對(duì)溫度的影響，提出了沿中心線和燃料射流最高溫度的簡單函數(shù)。陳國華等[4]利用美國標(biāo)準(zhǔn)局發(fā)布的大尺寸噴射火試驗(yàn)數(shù)據(jù)，得到了火焰內(nèi)部的溫度分布和熱輻射分布數(shù)據(jù)，并通過Fluent軟件進(jìn)行了驗(yàn)證。王其華等[5]對(duì)井噴失控噴射火進(jìn)行分析，得出了溫度場和熱輻射場的分布直接關(guān)系到事故傷害范圍的結(jié)論。

以往對(duì)噴射火燃燒特性的研究大部分是以甲烷、氫氣、天然氣等燃料為載體研究噴射火的某一特性[6-8]，幾乎沒有乙烷噴射火燃燒方面的研究。因此，設(shè)計(jì)了不同噴射壓力下乙烷垂直噴射火試驗(yàn)，研究乙烷噴射火的火焰形態(tài)、溫度和熱輻射范圍，以期為乙烷事故發(fā)生后如何確定救援人員能夠接近火場的距離提供參考[9-11]。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

所構(gòu)建的試驗(yàn)場所如圖1。試驗(yàn)裝置包括乙烷儲(chǔ)罐、不同口徑的噴嘴、熱電偶架、熱流計(jì)組、攝像機(jī)、紅外熱像儀、計(jì)算機(jī)等。

圖1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃蜏y點(diǎn)布置Fig.1 Test model and lay out of measurement points

使用同一噴槍，噴口內(nèi)徑為1 mm，所用噴嘴為圓形，口徑分別為30、35、50 mm 3種。采用鎧裝K型熱電偶組，沿噴嘴中軸線每4 cm設(shè)置一個(gè)，共10個(gè)，標(biāo)記為R1～R10，其中，R1熱電偶與噴嘴等高，熱電偶放置在熱電偶支架上，用絕緣電阻絲固定；輻射熱流計(jì)布置在噴嘴左側(cè)，距離火焰20、30、40、50、60 cm處各一個(gè)，標(biāo)記為R11～R15，輻射熱流計(jì)高度與噴嘴高度一致。紅外熱像儀放置在離火焰1.5 m處，采集熱輻射數(shù)據(jù)后由計(jì)算機(jī)輸出。試驗(yàn)期間環(huán)境平均溫度約為30℃，濕度約為55%。

選取純度為99.99%的乙烷為研究對(duì)象，在噴嘴口徑分別為30、35 mm和50 mm的條件下進(jìn)行噴射火試驗(yàn)，通過設(shè)置不同噴射壓力，對(duì)乙烷噴射火的火焰形態(tài)、溫度和熱輻射影響范圍進(jìn)行分析。

2 理論模型簡介

噴射火特性參數(shù)與氣體泄漏質(zhì)量速率相關(guān)，氣體流速分為聲速流動(dòng)和亞聲速流動(dòng)，不同氣體流速對(duì)應(yīng)的泄漏質(zhì)量速率計(jì)算公式不同[12-13]。當(dāng)管道

當(dāng)管道內(nèi)、外壓差滿足p0/p＞[2/(k＋1)]k/(k-1)時(shí)，氣體流動(dòng)為亞聲速流動(dòng)，流速計(jì)算公式為內(nèi)、外壓差滿足p0/p≤[2/(k＋1)]k/(k-1)時(shí)，管內(nèi)氣體為聲速流動(dòng)，流速計(jì)算公式為

式中：p0為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ琍a；p為管內(nèi)燃?xì)鈮毫Γ琍a；k為絕熱指數(shù)，乙烷取值1.249；Q0為泄漏質(zhì)量速率，kg/s；Cd為泄漏系數(shù)，圓形取值1.00；M為氣體摩爾質(zhì)量，kg/mol；T為氣體初始溫度，K；A為泄漏孔面積，試驗(yàn)取值3.14×10-6m2；R為氣體常數(shù)，J/(mol·K)。

選取乙烷為試驗(yàn)對(duì)象，采用3種噴嘴口徑(30、35、50 mm)，每種口徑分別以 0.01、0.05、0.10、0.15、0.20 MPa噴射壓力為試驗(yàn)條件。根據(jù)式(1)、式(2)計(jì)算得出：當(dāng)噴射壓力為0.01、0.05 MPa時(shí)，乙烷流動(dòng)為亞聲速流動(dòng)；當(dāng)噴射壓力為0.10、0.15、0.20 MPa時(shí)，乙烷流動(dòng)為聲速流動(dòng)。

3 結(jié)果與分析

3.1 火焰形態(tài)

試驗(yàn)過程中保持噴嘴口徑不變，通過減壓閥調(diào)節(jié)乙烷氣瓶的噴射壓力，記錄噴射火穩(wěn)定燃燒1 min的錄像，得到圖2所示不同噴嘴口徑(30、35、50 mm)、不同噴射壓力(0.01、0.05、0.10、0.15、0.20 MPa)下同一時(shí)刻的火焰形態(tài)。

由圖2可知，在保持噴嘴口徑不變的情況下，隨噴射壓力增加，火焰高度隨之增加，其主要原因?yàn)橥环N噴嘴口徑下，噴射壓力增加，單位時(shí)間內(nèi)乙烷流量增大，使得燃燒的樣品量變大，火焰高度升高。在保持噴射壓力不變的情況下，隨噴嘴口徑增大，火焰寬度增加、高度減小，由“高瘦”型變成“矮胖”型。由此可見，在乙烷流量不變時(shí)，同一噴射壓力下，噴嘴口徑變大，乙烷噴出被點(diǎn)燃時(shí)的擴(kuò)散面積增大，火焰寬度增加，高度變小。綜上所得，在同種噴嘴口徑下，隨著噴射壓力變化，火焰只有高度發(fā)生改變，但形態(tài)大致相同。

3.2 最高溫度曲線

通過紅外熱像儀對(duì)試驗(yàn)中的火焰溫度進(jìn)行采集，由Origin8.0處理，得到不同噴嘴口徑(30、35、50 mm)和不同噴射壓力下乙烷燃燒最高溫度曲線，如圖3所示。

由圖3(a)得，火焰最高溫度隨著噴射壓力的增大而升高。其中，在0.01 MPa時(shí)，最高溫度最小，在1 070℃上下浮動(dòng)；在0.20 MPa時(shí)，最高溫度最大，在1 200℃上下浮動(dòng)。當(dāng)噴射壓力從0.01 MPa升高到0.05 MPa時(shí)，溫度升高了42.5℃；從0.05 MPa升高到0.10 MPa時(shí)，溫度只升高了31.5℃；從0.10 MPa升高到0.15 MPa時(shí)，溫度升高了20.2℃；從0.15 MPa升高到0.20 MPa時(shí)，溫度只升高了9.3℃。由此可見，隨著噴射壓力的增大，火焰最高溫度升高，但上升的幅度逐漸減小。

圖2 不同口徑、不同噴射壓力下的火焰形態(tài)Fig.2 Flame morphology under different calibers and different pressures

由圖3(b)得，火焰最高溫度隨噴射壓力的變化趨勢與圖3(a)類似。其中，在0.01 MPa時(shí)，最高溫度最小，在1 100℃上下浮動(dòng)；在0.20 MPa時(shí)，最高溫度最大，在1 210℃上下浮動(dòng)；由此可見，噴嘴口徑的增大使火焰最高溫度隨之增大。

由圖3(c)得，火焰最高溫度隨噴射壓力的變化趨勢與圖3(a)、圖3(b)類似。其中，在0.01 MPa時(shí)，最高溫度最小，在1 200℃上下浮動(dòng)；在0.20 MPa時(shí)，最高溫度最大，在1 260℃上下浮動(dòng)。隨著壓力的增加，單位時(shí)間內(nèi)的樣品量顯著增加，導(dǎo)致反應(yīng)總熱量升高，同時(shí)與環(huán)境之間的傳熱比例也就相對(duì)降低，導(dǎo)致了火焰溫度絕對(duì)值升高。

圖3 不同噴嘴口徑、不同噴射壓力下火焰的最高溫度Fig.3 Maximum temperature of flame under different nozzle diameters and different pressures

3.3 熱輻射曲線

熱輻射破壞準(zhǔn)則[14-15]中指出：當(dāng)熱輻射強(qiáng)度為4.0 kW/m2時(shí)，該位置的現(xiàn)場暴露人員會(huì)被輕度燒傷；當(dāng)熱輻射強(qiáng)度為12.5 kW/m2時(shí)，該位置的現(xiàn)場暴露人員會(huì)被重度燒傷；當(dāng)熱輻射強(qiáng)度到達(dá)25.0kW/m2時(shí)，該處人員暴露超過1 min的死亡率將達(dá)到100%。試驗(yàn)中，得到火焰左側(cè)20、30、40、50 cm及60 cm位置處熱流計(jì)接收到的乙烷火焰熱通量變化情況，如圖4所示。

圖4 不同位置處熱流計(jì)的熱輻射強(qiáng)度Fig.4 Thermal radiation intensity of heat flow meter under different locations

由圖4得，在同一噴嘴口徑下，隨著噴射壓力的增大，熱輻射強(qiáng)度增大；在同一噴射壓力下，隨著噴嘴口徑的增大，熱輻射強(qiáng)度增大。熱輻射強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在R12(30 cm)熱流計(jì)處，而不是離火焰最近的R11(20 cm)處，其主要原因?yàn)闊崃饔?jì)與噴嘴口徑等高，噴嘴對(duì)火焰熱輻射擴(kuò)散存在阻擋作用。同時(shí)，最高熱輻射強(qiáng)度出現(xiàn)在30 mm噴嘴口徑、0.20 MPa條件下，而不是出現(xiàn)在最大噴口、最大噴射壓力下，由此可得出冷空氣的侵入對(duì)熱輻射的影響作用較大。壓力升高，火焰變高，與熱流計(jì)之間的相對(duì)位置發(fā)生變化，使得此處熱流計(jì)接收的輻射熱流量增加。

試驗(yàn)中，熱輻射強(qiáng)度超過25 kW/m2有兩種情況：噴嘴口徑為30 mm，壓力分別為0.15、0.20 MPa。根據(jù)熱輻射破壞準(zhǔn)則，這兩種情況屬于可能致死的輻射量級(jí)。

4 結(jié)論

分析了噴嘴口徑為30、35、50 mm，噴射壓力分別為0.01、0.05、0.10、0.15、0.20 MPa 條件下乙烷噴射火火焰的形態(tài)、高度和熱輻射范圍，然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析與熱輻射破壞準(zhǔn)則作比較，得到了如下結(jié)論：

1)在同種噴嘴口徑下，隨著噴射壓力的增大，火焰高度增加，最高溫度升高且上升幅度逐漸減小，但火焰的形態(tài)大致相同；同時(shí)，熱輻射強(qiáng)度也隨之增大。

2)在同種噴射壓力下，隨著噴嘴口徑的增大，火焰高度增加，最高溫度升高且增長速率降低，火焰由“高瘦”型變成“矮胖”型；同時(shí)，熱輻射強(qiáng)度也隨之增大。

3)在30 mm噴嘴口徑和0.15、0.20 MPa噴射壓力條件下，距離火焰30 cm處熱輻射強(qiáng)度超過25 kW/m2，達(dá)到可能致死的輻射量級(jí)。