ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2008, том 27, № 6, с. 6-13
ГОРЕНИЕ ^^^^^^^^^^^^^^ И ВЗРЫВ
УДК 541.124.13
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ СУРРОГАТНЫХ ТОПЛИВ НА ОСНОВЕ и-ГЕКСАНА И и-ДЕКАНА
© 2008 г. К. Я. Трошин
Институт химической физики им. H.H. Семенова Российской академии наук, Москва
Поступила в редакцию 13.04.2007
Суррогатные топлива на основе смесей я-гексана, я-декана и бензола являются заменителями моторных топлив нефтяного происхождения, приближаясь к ним по своим термодинамическим и кинетическим свойствам. Ограниченность количества компонентов суррогатных топлив позволяет развивать как детальные, так и глобальные кинетические механизмы их воспламенения в среде окислителя. В свою очередь, возможность кинетического моделирования воспламенения таких топлив в широком диапазоне температур и давлений крайне необходима для численного моделирования переходных процессов горения в детонацию. Разработана и отлажена экспериментальная методика измерения задержек воспламенения в воздушных смесях жидких топлив, имеющих низкую упругость паров при нормальных условиях. В настоящей работе на статической установке перепускного типа экспериментально исследовано воспламенение стехиометрических воздушных смесей я-гексана, я-декана, а также суррогатных топлив, состоящих из смесей 20% я-гексана и 80% я-декана, 20% бензола и 80% я-декана и тройной смеси: 9.1% я-гексана, 18.2% бензола и 72.7% я-де-кана. В диапазоне температур от 530 до 1030 К и давлений от 1 до 9 ата по осциллограммам давления измерены задержки воспламенения.
ВВЕДЕНИЕ
Измерение задержек воспламенения топлив -одна из задач экспериментальной науки о горении, направленная на создание базы данных для отладки детальных кинетических механизмов воспламенения и горения этих топлив. Детальное кинетическое моделирование преследует не только чисто научные цели - понять запутанную природу окисления углеводородов, но и практические цели. Для моделирования переходных процессов дефлаграции в детонацию в смесях горючего и воздуха необходимо знание задержек воспламенения в широком диапазоне температур и давлений. Температуры могут изменяться от температуры самовоспламенения топлива до температуры за передним ударным фронтом детонационной волны, т.е. ~1500 К, а давления - от одной до нескольких десятков ата. Ясно, что невозможно измерить задержки воспламенения во всем поле температур и давлений. Но для основы базы данных, на которой строится кинетическое моделирование, важна экспериментальная информация о характере поведения задержек воспламенения в широком диапазоне температур и давлений.
В мировой литературе наиболее полная информация дается о задержках воспламенения простейших газообразных углеводородов алка-нового ряда в смесях с воздухом в широком диапазоне температур и давлений. Однако, что касается более тяжелых (жидких) углеводородов алка-
нового ряда, то информация о задержках их воспламенения значительно беднее, несмотря на то, что эти углеводороды являются основными компонентами жидких моторных топлив. Такая ситуация обусловлена, во-первых, естественным развитием науки от простого к сложному и, во-вторых, рядом технических трудностей, связанных с измерением задержек воспламенения в паровоздушных смесях жидких топлив.
Как известно, жидкие моторные топлива включают в себя несколько десятков углеводородов, в том числе и алканового ряда. Разработка детальных кинетических механизмов воспламенения таких топлив - весьма трудная задача. В этом случае на помощь приходят так называемые суррогатные топлива, представляющие собой смесь нескольких основных компонентов моторного топлива.
Суррогатные топлива на основе смесей п-гек-сана, п-декана и бензола являются заменителями моторных топлив нефтяного происхождения, приближаясь к ним по своим термодинамическим и кинетическим свойствам. Ограниченность количества компонентов суррогатных топлив позволяет развивать как детальные, так и глобальные кинетические механизмы [1] их воспламенения в среде окислителя. В свою очередь, возможность кинетического моделирования воспламенения таких топлив в широком диапазоне температур и давлений крайне необходима для численного мо-
делирования переходных процессов горения в детонацию.
На основе статической установки перепускного типа разработана и отлажена методика измерения задержек воспламенения в воздушных смесях жидких топлив, имеющих низкую упругость паров при нормальных условиях.
В настоящей работе измерены задержки воспламенения я-гексана и я-декана в стехиометриче-ских смесях с воздухом в диапазоне температур от 530 до 1030 К и начальных давлений от 1 до 9 ата. Кроме того, при этих же условиях измерены задержки воспламенения стехиометрических воздушных смесей суррогатных топлив, состоящих из 20% я-гексана и 80% я-декана, 20% бензола и 80% я-декана и тройной смеси: 9.1% я-гексана, 18.2% бензола и 72.7% я-декана.
Проведено сравнение полученных результатов с данными измерений задержек воспламенения в этих смесях, полученными в работах других авторов на ударных трубах и установках адиабатического сжатия.
ИЗМЕРЕНИЕ ЗАДЕРЖЕК ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПО МЕТОДУ СТАТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ПЕРЕПУСКНОГО ТИПА
Статическая установка перепускного типа предназначена для измерения задержек воспламенения в газовых системах продолжительностью от 0.1 до 10 с. Для большинства углеводородов такие задержки воспламенения при давлении в 1 ата могут наблюдаться при температурах до 1000 К. Принцип работы установки основан на быстром перепуске заранее перемешанной смеси из перепускного в вакуумированный реактор, нагретый до заданной температуры. По окончании перепуска смесь быстро прогревается до заданной температуры стенок реактора. Наши измерения температурного поля в реакторе [2] показали, что время прогрева смеси до температуры стенок реактора не превышает 0.2 с. После прогрева по истечении задержки воспламенения происходит взрыв смеси. Задержку воспламенения определяют по осциллограмме давления как время между моментом окончания перепуска и моментом взрыва смеси.
Схема установки представлена на рис. 1. Рабочей частью установки является нагреваемый цилиндрический реактор 1, выполненный из нержавеющей стали и заключенный в теплоизоляционную оболочку 2. Внутренний диаметр реактора равен его высоте и составляет 10 см, что соответствует объему реактора в 785 см3. Контроль за температурой стенок реактора осуществлялся с помощью термопары 4, погруженной в специаль-
5
Рис. 1. Схема статической установки перепускного типа: 1 - реактор, 2 - электронагреватель, 3 - теплоизоляция, 4 - термопара, 5 - милливольтметр, 6 -датчик давления, 7 - система сбора информации на основе АЦП, 8 - электромагнитный клапан, 9 - перепускной сосуд, 10 - электронагреватель, 11 - теплоизоляция, 12 - термопара, 13 - милливольтметр, 14 - вентиль, 15 - смеситель.
ный канал в стенке реактора и подключенной к цифровому милливольтметру.
Перепускной сосуд 9 объемом 2 л изготовлен из нержавеющей стали. Как и реактор, он снабжен электронагревателем и термопарой для измерения температуры стенок сосуда. Оба сосуда соединены коммуникацией диаметром 9 мм, снабженной электромагнитным клапаном 8. В закрытом положении клапан позволяет создавать вакуум в реакторе, а в перепускном сосуде - высокое давление. При подаче электрического напряжения на обмотку электромагнита клапан открывается и оба сосуда соединяются. Происходит перетекание газа из перепускного сосуда в реактор. Время открытия клапана регулируется с помощью реле времени и, как правило, составляет 0.18-0.2 с. Давление в реакторе регистрируется с помощью датчика давления 6, сигнал от которого поступает на АЦП и затем в память компьютера 7.
При исследовании систем на основе жидких топлив и воздуха, исключающих предварительное перемешивание паров жидкости с воздухом, используется следующий прием. Жидкость в количестве, необходимом для создания заданной концентрации топлива в смеси, подается в предварительно нагретый до заданной температуры и вакуумированный реактор через его верхний фланец с помощью микролитрового шприца, и лишь после этого в реактор перепускается воздух. Такая раздельная подача топлива и окислителя исключает возможность затягивания процесса воспламенения за счет дробления капель в потоке и их испарения. Влияние процесса перемешивания паров топлива с воздухом на измеряемую величину задержки воспламенения проверяли на
Рис. 2. Температурная зависимость задержек воспламенения смесей я-гексана с воздухом: Прямые - результаты, полученные на перепускной установке в работе [3]; 1 - воздушная смесь с содержанием 3.6% гексана, 2 - воздушная смесь с содержанием 1.8% гексана, 3 - воздушная смесь с содержанием 2.4% и 3.1% гексана: затененная область -задержки воспламенения для смеси 2% я-гексана +18% кислорода + 80% аргона [5]; ▲ - измерения за отраженной ударной волной [6], ■ - опыты в перепускной установке [4], О - результаты измерений за отраженной ударной волной при давлениях около 11 ата (по работе [7]), ♦ - то же при давлениях около 56 ата (по работе [7]), + - то же при давлениях около 220 ата (по работе [7]); кривая 4 - данные работы [8], полученные на установке быстрого сжатия для стехио-метрических смесей я-гексана с искусственным воздухом при давлении 10 ата; Д (1 ата), □ (9 ата) - результаты настоящей работы.
примере воспламенения заранее перемешанной смеси пропана с воздухом и смеси пропана с воздухом, формирующейся в реакторе при раздельной подаче пропана и воздуха. Сравнение результатов измерений показало, что в контрольных экспериментах задержки воспламенения различаются не более чем в два раза, что находится в пределах точности измерения задержек воспламенения по данной методике. Это дает основание использовать данную методику для измерения задержек воспламенения в воздушных смесях жидких топлив, упругость насыщенных паров которых при нормальных условиях слишком низка для создания стехио-метрических смесей высокого давления.
СРАВНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ С ЛИТЕРАТУРНЫМИ ДАННЫМИ
я-Гексан. На рис. 2 приведено сравнение результатов измерений задержек воспламенения стехиометрических в
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.