ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2008, том 27, № 10, с. 44-48
ГОРЕНИЕ ^^^^^^^^^^^^^^^^ И ВЗРЫВ
УДК 544.45
ИНГИБИРОВАНИЕ ВЗРЫВНОГО РАЗЛОЖЕНИЯ АЦЕТИЛЕНА*
© 2008 г. Д. И. Бакланов, В. В. Володин, С. В. Головастое, В. В. Голуб, Р. Б. Решетняк
Объединенный институт высоких температур Российской академии наук, Москва
E-mail: golovastov@yandex.ru Поступила в редакцию 15.03.2007
Экспериментально изучен процесс ингибирования экзотермического разложения ацетилена с помощью разбавления его бытовым газом (пропан/бутан) и водородом, которые сами являются топливом. Находившаяся в цилиндрической ударной трубе смесь ацетилена с ингибитором нагревалась отраженной ударной волной. Источником ударных волн служили детонационные волны, инициируемые в стехиометрической ацетилено-кислородной смеси и затем переходившие в ударную волну в смеси ацетилена с ингибитором. Получены минимальные объемные концентрационные пределы ингибиторов, при которых саморазложения ацетилена не происходило.
ВВЕДЕНИЕ
Переход горения в детонацию тесно связан с реакционной способностью смеси и широко изучен для многих монотопливных смесей. Однако детонационные свойства бинарных топливных смесей все еще остаются неисследованными, особенно если компоненты топлива значительно отличаются по реакционной способности [1].
Актуален вопрос о безопасности использования таких топлив. В этом случае целесообразно использовать бинарные топливные смеси, в которых один из компонентов является ингибитором, способным не только замедлить протекание химических реакций непреднамеренного горения, саморазложения, но и практически не изменяющего суммарный тепловой эффект реакции с окислителем.
Процесс ингибирования может происходить двумя способами:
1) введением газа, обладающего большой теплоемкостью, который отводит часть выделяемой в ходе реакции энергии, не принимая участия в реакции;
2) введением газа, участвующего в химических реакциях и ускоряющего гибель активных радикалов, обрывая цепи [2].
Показано, что с повышением температуры в ходе горения роль цепной лавины не уменьшается, а возрастает [3]. В настоящее время известно [3-5], что при атмосферном и повышенном давлениях все режимы горения, в том числе и детонация, успешно могут быть заингибированы, причем эффективность ингибитора определяется его способностью обрывать реакционные цепи.
* Статьи, отмеченные звездочкой, были представлены на XXXI Академических чтениях по космонавтике. Москва, январь 2007 г.
Одним из перспективных газовых топлив в устройствах, использующих как дефлаграционное горение (сварка, резка металла), так и детонационное (напыление, разрушение), является смесь ацетилена с воздухом (с кислородом), которая имеет не только высокую теплотворную способность, но и малое преддетонационное расстояние, высокие параметры продуктов детонации и широкие концентрационные пределы формирования детонации. Однако недостатком чистого ацетилена является его способность разлагаться до образования углерода и метана (1) или водорода (2) с выделением энергии и возможным формированием детонации, что с точки зрения безопасности ограничивает его применение:
2C2H2 — CH4 + 3C, T = 300°C; (1)
2C2H2 — H2 + 2C, T = 1200°C. (2)
Введение в ацетилен компонента, препятствующего процессу разложения, способно решить эту проблему.
Целью работы являлось экспериментальное определение нижних концентрационных пределов разбавления ацетилена бытовым газом (пропан/бутан) и водородом, при которых не происходит саморазложение ацетилена.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА
Экспериментальные исследования проводились на установке, представляющей собой цилиндрическую ударную трубу общей длиной 1617 мм и внутренним диаметром 22 мм (рис. 1). Ударная труба состояла из детонационной камеры сгорания длиной 585 мм и измерительной секции длиной 1032 мм, разделенных шаровым краном. В качестве регистрирующей аппаратуры использовались пьезоэлектрические датчики давления PCB 113A и
Н
ИР
200 200 200 100
ДД^ дд4 ДД^ ДД41
1 ДКС 1 1 ИС
\ 1 ФД11 ФД2И ФД3И ФД4И £
КП, "0"
КП, "1'
V,
3
С
V,
>
Рис. 1. Схема экспериментального стенда. ИР - импульсный разрядник; ДКС - детонационная камера сгорания; ИС -измерительная секция; ШК - шаровой кран; Н - насос; ДД1-ДД4 - пьезоэлектрические датчики давления РСВ-113А; ФД1-ФД4 - фотодиоды ФД-256; КП - контактная поверхность; КП, "0", КП, "1" - начальное и конечное положения контактной поверхности; V - сосуд со стехиометрической ацетилено-кислородной смесью, - сосуд со смесью ацетилена с ингибитором.
фотодиоды ФД-256. Расстояние между датчиками составляло 200 мм, расстояние между первым датчиком и искровым разрядником - 816 мм.
Предварительно детонационная камера сгорания и измерительная секция откачивались до давления 0.004 атм. Исследуемая смесь составлялась по парциальным давлениям компонентов с погрешностью 0.5% и выдерживалась не менее 42 часов в сосуде объемом 3 л при давлении 2 атм; детонационная камера заполнялась стехиометрической ацетилено-кислородной смесью до 1 атм, измерительная секция - смесью ацетилена с ингибитором до такого же давления при закрытом шаровом кране. После заполнения детонационной камеры и измерительной секции шаровой кран открывался, и осуществлялось воспламенение ацетилено-кислородной смеси с помощью искрового разрядника и формирование детонации. Преддетонационное расстояние составляло менее 200 мм, что значительно меньше длины детонационной камеры сгорания. Детонационная волна, образовавшаяся в ацетилено-кислородной смеси, проходила контактную поверхность (положение "0" на рис. 1) слева направо и превращалась в ударную волну в исследуемой смеси ацетилена с ингибитором. На рис. 2 представлена общая ударно-волновая картина перехода детонационной волны, формируемой в детонационной камере сгорания, в ударную волну, распространяющуюся в измерительной секции, и следующую за ней контактную поверхность в том случае, когда измерительная секция заполнялась воздухом. При этом датчики давления и света располагались по всей длине камеры сгорания, как показано на рис. 2.
Выбор длины измерительной секции происходил таким образом, чтобы контактная поверхность достигала только первую пару датчиков
давления, но не достигала вторую пару датчиков давления. Остановка контактной поверхности происходила в момент взаимодействия ее с отраженной ударной волной, за которой газ неподвижен (рис. 2, КП, "1"). Измерения показали, что в том случае, когда в измерительной секции находился воздух, последняя пара датчиков не регистрировала контактную поверхность. В силу того, что скорость звука в исследуемых смесях незначительно отличается от скорости звука в воздухе, выбранную длину измерительной секции можно считать приемлемой для диагностики саморазложения ацетилена.
Стоит отметить, что отраженная от торца ударная волна начинает двигаться навстречу контактной поверхности замедляясь. Однако отраженная ударная волна после прохождении через контактную поверхность начинает движение по горячим продуктам детонации ацетилена в кислороде, где скорость звука также повышается. Из-за этого скорость отраженной ударной волны увеличивается с 450 до 850 м/с.
РЕЗУЛЬТАТЫ
На рис. 3а,б представлены осциллограммы ударно-волнового процесса в смесях ацетилена с пропан/бутаном.
В том случае, когда содержание пропан/бутана в ацетилене составляло 6 и менее объемных процентов (рис. 3а), возникала волна экзотермического разложения ацетилена. Датчики давления регистрировали падающую и отраженную ударные волны. Первый фотодатчик регистрировал приход контактной поверхности и свечение продуктов детонации ацетилена в момент прохождения отраженной ударной волны, а остальные фото-
X, мм
Рис. 2. Х-Г-диаграмма перехода детонационной волны в ударную волну на контактной поверхности, разделяющей аце-тилено-кислородную смесь (снизу) и воздух (сверху). Сплошные линии - осциллограммы давления, штриховые линии - осциллограммы свечения, пунктирные линии - траектории волн и контактной поверхности; ДВ - детонационная волна, УВ - ударная волна, ОУВ - отраженная ударная волна, КП - контактная поверхность; ДД1-ДД4, ДДо - датчики давления.
датчики регистрировали только интенсивное свечение волны разложения ацетилена за отраженной ударной волной. Волна разложения распространялась вслед за отраженной ударной волной.
Саморазложение ацетилена не происходило, когда концентрация пропан/бутана составляла 7 и более объемных процентов (рис. 36). Фотодатчики 1 и 2 регистрировали приход контактной поверхности и повышение интенсивности свечения продуктов детонации ацетилена в момент прохождения отраженной ударной волны. Однако фотодатчики 3 и 4 не регистрировали свечение газа в течение 20 мс. Это указывает на отсутствие волны разложения в ацетилене при данной концентрации пропан/бутана.
В таблице приведены параметры исследуемых смесей ацетилена с пропан/бутаном за отраженной ударной волной в положении датчика давления 4, где температура приведена как функция числа Маха падающей ударной волны. Из таблицы видно, что давление за отраженной ударной волной поднималось до 8-20 атм, температура -
до 700-1000 К. Разброс значений давления и температуры обусловлен не погрешностью измерения (0.5%), а стохастическим процессом перехода горения в детонацию. Этот переход определяется ускорением пламени, который сам по себе носит турбулентный характер [6]. В случаях, когда концентрация пропан/бутана имела граничные значения (6%, 7%), давление и температура исследуемых смесей за отраженной ударной волной находились в диапазоне 9-12 атм, 710-850 К.
Для оценки предельной концентрации пропан/бутана, необходимой только для теплового ингибирования саморазложения ацетилена, был проведен термодинамический анализ. Результаты химического анализа показали, что сжиженный технический пропан/бутан состоит из 17% пропилена, 42% пропана и 41% бутана. При температуре 800 К данные углеводороды диссоциируют до радикалов метила и метилена. Предполагалось, что для предотвращения саморазложения ацетилена необходимо, чтобы экзотермический эффект Q1 диссоциации ацетилена (3) не превышал эндотермичес
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.