ГОРЕНИЕ И ВЗРЫВ
536.46:614.842
КОНЦЕНТРАЦИЯ АТОМОВ ВОДОРОДА В ПРОПАН-ВОЗДУШНЫХ ПЛАМЕНАХ ПРИ ВВЕДЕНИИ НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЛЕЙ
© 2007 г. Е. В. Анцупов, С. М. Родивилов
Институт проблем горения, Алма-Ата E-mail: antsupov07@rambler.ru Поступила в редакцию 13.09.2006
Методом электронного парамагнитного резонанса получены экспериментальные данные по распределению атомов водорода вдоль оси в зоне догорания богатых пропан-воздушных атмосферных пламен при введении в пламя порошковых ингибиторов. Ингибиторы уменьшали концентрацию атомов более чем на порядок и смещали максимум кривой распределения атомов Н вдоль оси пламени в область высоких температур. В качестве порошковых ингибиторов исследовались неорганические соли, которые по эффективности воздействия на атомы водорода можно расположить в следующий ряд: гидрофосфат аммония > дигидрофосфат аммония > гидрокарбонат натрия > смесь гидрофосфата аммония и гидрокарбоната натрия. Показано, что концентрация атомов водорода после введения определенного количества порошкового ингибитора практически не уменьшается вплоть до тушения пламени. Для смеси гидрофосфата аммония и гидрокарбоната натрия наблюдалось явление антагонизма.
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2007, том 26, № 7, с. 45-49
УДК
ВВЕДЕНИЕ
Огнетушащие порошковые составы находят широкое применение при тушении пожаров различных классов. Они отличаются высокой эффективностью, малой токсичностью, универсальностью действия. В ряде случаев они являются единственно возможными средствами пожаротушения, как, например, при тушении пожаров на промышленных установках, когда вторичный ущерб, наносимый огнетушащими средствами (водой, пеной), может быть значительным.
Для эффективной разработки огнетушащих порошков необходима информация о влиянии порошковых ингибиторов на активные центры в пламенах. Имеется ограниченное число работ, в которых приведены результаты исследования воздействия порошковых ингибиторов на свободные радикалы в пламенах (см., например, [1, 2]).
Как известно, одним из ведущих радикалов, участвующих в горении, является атом водорода. В работах [3-6] рассмотрено распределение атомов водорода в неингибированных пламенах и показано наличие большого их количества в области догорания.
Целью данной работы было изучение воздействия порошковых ингибиторов на атомы водорода атмосферного пропан-воздушного пламени. В качестве объекта исследования были выбраны пропан-воздушные пламена, так как пропан в настоящее время представляет собой одно из основных топлив и широко применяется в быту. Всестороннее, детальное исследование процесса ин-
гибирования пламени пропана порошковыми составами - актуальная задача, связанная с потребностями в эффективных средствах тушения пожаров.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) позволяет непосредственно регистрировать атомы водорода в газовой фазе. Воздействие ингибиторов на структуру пропан-воздушного пламени приводит к тому, что изменяется распределение активных частиц как во фронте пламени, так и в зоне догорания. В данной работе были измерены профили распределения атомов Н вдоль оси горелки. Конструкция спектрометра ЭПР не позволяла проводить двумерную регистрацию атомов Н, поэтому распределение атомов водорода определялось только по оси пламени.
Эксперименты проводили на малогабаритном автоматизированном спектрометре электронного парамагнитного резонанса ПС 100.Х. Чувствительность прибора составляла 5 ■ 1010 спин/(Тл ■ 10-4), разрешающая способность 2 ■ 10-5 Тл.
Бунзеновская горелка, выполненная из кварцевого стекла диаметром 5 мм, имела сопло диаметром 2.9 мм. Она была помещена в защитный экран в виде кварцевой трубки с внутренним диаметром 7 мм. Экран защищал полость резонатора спектрометра от нагрева и попадания в нее порошковых ингибиторов. В крышках резонатора спектрометра ЭПР были сделаны отверстия. Го-
релку вместе с защитным экраном устанавливали вертикально соплом вниз на координатном устройстве, позволявшем перемещать горелку и защитный экран по оси резонатора через отверстия в крышках резонатора спектрометра. Пламя находилось непосредственно в полости резонатора. Такая методика позволяла проводить измерения, не искажая процессов, протекающих в атмосферных пламенах (как это имеет место при зондировании пламен).
Для получения условий, сходных с горением факела без защитного экрана, а также для охлаждения стенок экранирующей трубки в область между горелкой и защитным экраном подавали дополнительный поток воздуха. Горючее и окислитель поступали из баллонов, скорости их подачи регулировались игольчатыми вентилями. Далее газы поступали в стеклянный смеситель, а затем в горелку. Расход воздуха (Qair), подаваемого в горелку, изменялся от 150 до 450 см3/мин, пропана (Qpr) - от 10 до 30 см3/мин. Дополнительный поток воздуха (Q^) регулировали в пределах от 100 до 250 см3/мин.
Измерение распределения радикалов Н вдоль оси горелки проводили, перемещая горелку вместе с защитным экраном относительно полости резонатора спектрометра. При этом получали сигнал, который отражал интегральную величину распределения атомов водорода в пламени.
Поскольку резонатор имел неравномерную чувствительность по высоте, то для установления распределения радикалов необходимо провести математическое преобразование. Величину сигнала ЭПР, g(x), полученную в экспериментах, можно представить следующим образом:
x
g(x) = |f (x - ^sin2^при x < 2a,
0
2a
g(x) = | f (x - ^)sin22-adt, при x > 2a,
0
где f (z) - функция, описывающая истинный концентрационный профиль радикалов; sin22-a -
функция чувствительности резонатора; a - половина высоты резонатора; Е, - переменная интегрирования; x - расстояние от среза горелки до нижнего края резонатора; z - расстояние от среза сопла горелки вдоль оси факела.
Функция f(z) была представлена в следующем виде: f(z) = azb exp(-cz). Оптимизируя значения a, b и c, методом Нелдера-Мида получали функцию, описывающую кривую сигнала ЭПР. По полученным значениям строилась кривая распределения атомов водорода вдоль оси горелки.
Распределение атомов водорода в пламенах зависит от величины а (коэффициента избытка окислителя), т.е. от состава смеси. В экспериментах с неингибированными пламенами мы наблюдали максимальную концентрацию атомов водорода при значении а ~ 0.9, что согласуется с работами [7, 8]. Отличие от стехиометрии, вероятно, обусловлено подсосом воздуха из дополнительного потока. Оценочная концентрация атомов Н в неин-гибированном пламени в максимуме кривой распределения для а = 0.81 соответствует ~1015 см-3.
По мере увеличения а в сторону бедных смесей пламя становилось неустойчивым и уменьшалась концентрация атомов водорода. Максимум концентрации атомов водорода смещался ближе к соплу горелки при изменении состава смеси в сторону бедных пламен, уменьшалась также и протяженность зоны, в которой регистрировались атомы водорода.
Подача порошковых ингибиторов осуществлялась через дозатор. Предварительно порошок просушивали в течение 1-2 ч в сушильном шкафу при температуре 60°С. Дозатор представлял собой воронку с вращающейся в ней мешалкой, на конце которой была игла, вставленная в отверстие диафрагмы. Расход порошка регулировался величиной отверстия сменной диафрагмы, которая устанавливалась под воронкой, толщиной иглы на нижнем конце мешалки и изменением скорости вращения мешалки. При больших расходах порошка наблюдался срыв пламени.
Абсолютная погрешность при расчете а составляла 1.6%, при расчете расхода порошка -около 14%. Суммарная ошибка измерений (с учетом нестабильности пламени и чувствительности ЭПР-спектрометра) находилась в пределах 2535%.
В качестве ингибирующих порошков использовались гидрокарбонат натрия, дигидрофосфат аммония, гидрофосфат аммония и смесь гидрокарбоната натрия и гидрофосфата аммония. При воздействии ингибиторов на пламя, находящееся в резонаторе спектрометра, частично происходит разложение порошка, в результате чего пламя окрашивается, образуются ионы, которые поглощают энергию СВЧ, что приводит к расстройке резонатора спектрометра. Менее выражен этот эффект при воздействии на пламя дигидрофосфа-та аммония. Для лучшей текучести порошка из воронки и против слеживания в ингибиторы добавляли аэросил АМ-300.
Дигидрофосфат аммония. Перед экспериментом порошок просеивали через сито с размером ячеек 80 мкм. После чего он имел следующий гранулометрический состав в массовых процентах: й < 4 мкм - 0.1%; 4 < й < 8 мкм - 0.8%; 8 < й <
< 15 мкм - 2.7%; 15 < й < 30 мкм - 16%; 30 < й <
< 40 мкм - 13.9%; 40< й < 60 мкм - 25.1%; 60 < й <
Концентрация атомов водорода, отн. ед.
Рис. 1. Распределение атомов водорода вдоль оси пропан-воздушного пламени при введении в него дигид-рофосфата аммония; Qair = 425 см3/мин, Qpr = = 22 см3/мин, Qf| = 163 см3/мин, а = 0.81; 1 - неингиби-рованное пламя, 2 - Qp = 0.015 мг/с, 3 - Qp = 0.06 мг/с, 4 - Qp = 1 мг/с.
Рис. 2. Распределение атомов водорода вдоль оси пропан-воздушного пламени при введении в него гидрофосфата аммония; Qair = 413 см3/мин, Qpr = = 21 см3/мин, Qf| = 151 см3/мин, а = 0.81; 1 - неингиби-рованное пламя; 2 - Qp = 0.3 мг/с, Qi = 0.016; 3 - Qp = = 0.4 мг/с, Qi = 0.021 мг/с; 4 - Qp = 0.81 мг/с, Qi = = 0.042 мг/с; 5 - Q = 1.0 мг/с, Q i = 0.075 мг/с.
< 80 мкм - 41.4%. Удельная поверхность порошка -400 см2/г.
На рис. 1 приведено распределение атомов водорода вдоль оси пламени для различного количества ^р) введенного в пламя ингибитора NH4H2PO4. За нулевую отметку взят срез горелки. Из этих кривых видно, что при увеличении количества введенного в пламя порошкового ингибитора концентрация атомов уменьшается и максимум кривой смещается ближе к срезу горелки. Небольшое количество введенного порошкового ингибитора приводит к сильному уменьшению концентрации атомов Н.
Гидрокарбонат натрия. Поскольку введение гидрокарбоната натрия в пламя приводило либо к срыву пламени, либо к сильной расстройке резонатора, то активный компонент (Qi - количество активного компонента в порошке) разбавляли инертным наполнителем.
В качестве инертного наполнителя был выбран А1203 с размером
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.