Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СПАДА ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК

Кудрявцева Л.А., Мазуркин П.М.
В статье приведены результаты исследования закономерностей спада температуры, при горении древесных опилок на приборе ОТМ, начиная от максимального значения до 200 оС. С помощью программной среды Curve Expert 1.3 получены модели динамики температуры горения опилок во времени с использованием устойчивого закона. Ключевые слова: горение, древесные опилки, температура горения, тление

Введение

Эффективное и полное сгорание является необходимым условием использования древесины в качестве экологически приемлемого вида топлива. Процесс сгорания должен обеспечивать высокую степень использования энергии и, следовательно, полное уничтожение древесины, и не должен вызывать образование нежелательных в экологическом отношении соединений.

Целью статьи является выявление закономерностей спада температуры, при горения древесных опилок на приборе ОТМ по ГОСТ 12.1.044-89 [5], начиная от максимального значения до 200 оС.

Теоретический анализ

Горение древесных опилок протекает в гетерогенном режиме. Процесс горения состоит из следующих стадий: 1) подсушивание топлива и нагревание до температуры начала выхода летучих веществ; 2) воспламенение летучих веществ и их выгорание; 3) нагревание кокса до воспламенения; 4) выгорание горючих веществ из кокса. На практике эти стадии частично накладываются одна на другую [4].

Методика эксперимента

Для опытов были подготовлены пробы березовых, сосновых опилок и древесных гранул с относительной влажностью 12 %, взятые в лесопильном цехе. Отобранный материал помещали в мешочки из стеклоткани массой 4,1 г, сшитые металлическими скрепками, масса испытываемых образцов по 50 г. Взвешивание проводили на лабораторных весах с погрешностью измерения ±0,1 г.

Перед испытанием внутреннюю поверхность реакционной камеры прибора ОТМ покрыли двумя слоями алюминиевой фольги, толщиной не более 0,2 мм, которую по мере прогорания или загрязнения продуктами горения заменяли на новую.

Заданная температура (200 ± 5 оС) газообразных продуктов горения в реакционной камере поддерживается газовой горелкой в течение трех минут.

Образец закрепляли в держателе вертикально металлической проволокой, вводили за 3-5 с в реакционную камеру, и испытывали до достижения максимальной температуры отходящих газообразных продуктов, регистрируя время ее достижения, затем горелку выключали. Предварительными испытаниями были определены примерные пределы максимума температуры. Во время основных испытаний достигаемый максимум определяли выдержкой в течение 15-30 с. Для регистрации температуры использовали прибор КСП-4 с диапазоном от 0 до 600 °С, а для отсчета времени - секундомер. Отсчеты проводили при снижении температуры через каждые 50 оС от максимального значения до 200 оС. Образец выдерживали в камере до полного остывания 20 оС, извлекали и взвешивали, определяя зольный остаток.

Результаты и их обсуждение

Результаты измерений представлены в табл. 1.

Таблица 1

Результаты измерений температуры горения во времени

Березовые

опилки

Сосновые

опилки

Древесные

гранулы №1

Древесные

гранулы №2

Время

t1, с

Температура

T, оС

Время

t1, с

Температура

T, оС

Время

t1, с

Температура

T, оС

Время

t1, с

Температура

T, оС

0

500

0

500

0

500

0

450

20

450

30

450

30

450

25

350

83

400

80

400

33

400

42

300

105

350

143

350

40

350

85

250

120

300

147

300

55

300

165

200

138

250

157

250

85

250

-

-

165

200

180

200

145

200

-

-

Максимальная температура отходящих газообразных продуктов горения первых трех образцов составляет 500 оС, а последнего 450 оС. Данные табл. 1 подвергали статистической обработке в программной среде Curve Expert 1.3 [3] для получения устойчивых закономерностей.

Сжигание образца с березовыми опилками представлено на рис. 1, остатки - рис. 2.

p

p

Рис. 1. Изменение температуры

горения березовых опилок:

 - сумма квадратов отклонений;

 - коэффициент корреляции

Рис. 2. Остатки моделирования данных температуры горения березовых опилок

За время горения при температуре 400-500 оC, из-за снижения летучей горючей массы в образце древесины, наступает максимум температуры горения. Остающееся после удаления летучих продуктов пиролиза углистое вещество характеризуется очень высокой пористостью и реакционной способностью.

Только пористые материалы, которые образуют твердый углистый остаток при нагревании, могут самостоятельно поддерживать тлеющее горение. К таким материалам относится древесина.

Вслед за прекращением пламенного горения начинается тление, которое будет развиваться внутри оставшегося материала. Для зарождения тления основным является требование о наличие источника тепла, который приведет к образованию углистого остатка и начале его окисления. Тление будет продолжаться до тех пор, пока тепло будет сохраняться в области реакционной поверхности, поэтому образец в реакционной камере выдерживали до полного остывания 20 оС.

Идентификацией устойчивых законов выявили модель динамики температуры горения березовых опилок во времени второго этапа с использованием устойчивого закона вида

f,                            (1)

f


где  T  - температура отходящих газообразных продуктов горения материала, °С;

t1 - время горения, с.

При сжигании образца с березовыми опилками масса образовавшейся золы составляет 0,2 г или 0,44 % первоначальной массы.

Сжигание образца с сосновыми опилками представлено на рис. 3, остатки - рис. 4.

p

p

Рис. 3. Изменение температуры

горения сосновых опилок

Рис. 4. Остатки моделирования данных температуры горения сосновых опилок

Составили модель динамики температуры горения сосновых опилок во времени второго этапа с использованием устойчивого закона

f.                                 (2)

f

Время снижения температуры горения сосновых опилок больше, чем у березовых. Масса образовавшейся золы составляет 0,45 г или 0,98 % первоначальной массы образца.

Сжигание образца с древесными гранулами №1 представлено на рис. 5, остатки - рис. 6.

p

p

Рис. 5. Изменение температуры горения древесных гранул №1

Рис. 6. Остатки моделирования данных температуры горения древесных гранул №1

Модель динамики температуры горения древесных гранул №1 во времени второго этапа с использованием устойчивого закона имеет вид

f

f                                  (3)

Сжигание образца с древесными гранулами №2 представлено на рис. 7, остатки - рис. 8.

p

p

Рис. 7. Изменение температуры горения древесных гранул №2

Рис. 8. Остатки моделирования данных температуры горения древесных гранул №2

Модель динамики температуры горения древесных гранул №2 во времени второго этапа с использованием устойчивого закона имеет вид

f

f.                            (4)

Процесс снижения температуры древесных гранул протекает в 0,8-0,9 раза быстрее по времени, чем у опилок. Масса образовавшейся золы составляет 0,3 г или 0,65 % первоначальной массы образца.

Заключение

Время пребывания, необходимое для полного сгорания топлива непосредственно зависит от температуры горения и в определенной степени от времени смешения.

Повышенная зольность замедляет процесс горения и приводит к неполному сгоранию топлива. Обволакивая горючие компоненты, зольная масса препятствует доступу кислорода в зону горения, в результате чего может происходить неполное сгорание и повышенное образование механического недожога.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  • 1.  Головков, С.И. Энергетическое использование древесных отходов / С.И. Головков, И.Ф. Коперин, В.И. Найденов. - М.: Лесная промышленность, 1987. - 224 с.
  • 2.  Драйздейл, Д. Введение в динамику пожаров / Пер. с англ. К.Г. Бомштейна / Под ред. Ю.А. Кошмарова, В.Е. Макарова. - М.: Стройиздат, 1990. - 424 с.
  • 3.  Мазуркин, П.М. Математическое моделирование. Идентификация однофакторных статистических закономерностей: Учебное пособие / П.М. Мазуркин, А.С.Филонов. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2006. - 292 с.
  • 4.  Скрябин, В.И. Теплотехника. - М.: ВНТИЦ, 2002. - № 50200200706.
  • 5.  ГОСТ 12.1.044-89. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 52 с.

Библиографическая ссылка

Кудрявцева Л.А., Мазуркин П.М. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ СПАДА ТЕМПЕРАТУРЫ ГОРЕНИЯ ДРЕВЕСНЫХ ОПИЛОК // Современные проблемы науки и образования. – 2009. – № 6-3.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=1436 (дата обращения: 04.08.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074