научная статья по теме ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ПРОПАНА В УДАРНЫХ ВОЛНАХ Химия

Текст научной статьи на тему «ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ПРОПАНА В УДАРНЫХ ВОЛНАХ»

ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2015, том 34, № 2, с. 49-60

ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ

УДК 541.124

ВОСПЛАМЕНЕНИЕ ПРОПАНА В УДАРНЫХ ВОЛНАХ © 2015 г. Г. Л. Агафонов, А. М. Тереза*

Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва

*Е-таП: atereza@bk.ru Поступила в редакцию 10.12.2013

Измерены задержки воспламенения смесей С3Ы8/О2/Л различного состава за отраженными ударными волнами при 1220—1750 К и (0.65 ± 0.05) МПа. Разработана кинетическая схема воспламенения пропана, основанная на известных константах скорости ключевых элементарных реакций. Схема хорошо описывает как собственные, так и имеющиеся в литературе экспериментальные данные по воспламенению пропана в ударных волнах в широких диапазонах относительно высоких температур (1100—1750 К), давлений (0.12—0.65 МПа), а также объемных концентраций пропана (0.05—11%) и кислорода (0.25—21%). При Т < 1100 К ни предложенной кинетической схемой, ни представленными в литературе различными кинетическими механизмами удовлетворительно описать экспериментально наблюдаемые задержки воспламенения пропана в ударных волнах не удалось. В настоящей работе выдвинуто предположение, что при Т < 1100 К лимитирующим является процесс дефлаграционного распространения пламени от отдельных точечных очагов воспламенение С3Н8. Проведенный численный расчет одномерного распространения пламени с использованием предложенной кинетической схемы качественно подтвердил данное предположение.

Ключевые слова: горение, ударные волны, химическая кинетика, численное моделирование.

Б01: 10.7868/80207401X15020028

ВВЕДЕНИЕ

Поиск путей повышения эффективности горения углеводородных топлив, приводящих к повышению энергосбережения и снижению выбросов токсичных продуктов сгорания, привлекает внимание к детальному изучению физико-химических процессов, связанных с воспламенением и выгоранием различных топливовоздушных смесей. В этом аспекте исследования воспламенения и горения пропана занимают значительное место как по причине своего промышленно-технологического применения [1], так и в качестве модельной системы [2—11]. Недавние измерения задержек воспламенения пропана (т) в кислородно-воздушных смесях, проведенные на ударных трубах [5, 9], показали, что с понижением исходной температуры смеси в области Т < 1100 К резко изменяется температурная зависимость т и ее значения фактически становятся неизменными. Этот эффект наблюдается для широкого класса углеводородов [4, 12—15]. Однако численное моделирование с использованием различных приведенных в литературе кинетических механизмов не всегда удается [4, 5, 15]. В обзоре [16] представлено более 50 работ, относящихся к проблеме несоответствия измеренных и вычисленных задержек воспламенения для во-дородно-воздушных смесей, где кинетический механизм достаточно хорошо качественно и ко-

личественно изучен. Пытаясь объяснить данное противоречие и основываясь на экспериментальных результатах, полученных Солоухиным с со-авт. [17], авторы работы [18] выдвинули гипотезу об очаговом воспламенении водородно-воздуш-ной смеси за ударными волнами с последующим дефлаграционным распространением пламени по нагретой смеси. В этом случае предполагается, что полное выгорание всей водородно-воздуш-ной смеси от отдельных очагов происходит намного раньше, чем смесь самовоспламенится равно-моментно во всем объеме. В недавних работах Борисова с соавт. [19] и Пенязькова с соавт. [20] экспериментально показано появление подобных очагов в смесях кислорода с пропаном в статической установке перепускного типа и установке быстрого сжатия соответственно. В обоих случаях обнаружено, что очаги образуются вне стенок реакторов только в газовой фазе.

Цели настоящей работы — проведение экспериментов по измерению задержек воспламенения пропана в смеси с кислородом за ударными волнами и численное описание полученных результатов в совокупности с литературными данными [5, 9, 11, 21, 22].

lg(T, c) -3.0 г

-3.5

-4.0

/

-4.5 - Д

-5.0 -

^' У/

Г/

/

0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

103/Г, K-1

Рис. 1. Сравнение экспериментально наблюдаемых в настоящей работе и рассчитанных по схеме таблицы задержек воспламенения смесей пропана с кислородом в Аг при давлениях (0.65 ± 0.05) МПа: О, А — данные настоящей работы для смесей 4% С3Н8 + 20% О2 (ф = 1.0), 1.4% С3Н8 + 21% О2 (ф = 0.33), 11% С3Н8 + 20% О2 (ф = 3); 7, 2, 3 — соответствующие им расчеты по таблице. Линии 4 и 5 — расчеты для ф = 1.0 по кинетическим механизмам работ [13] и [29] соответственно.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Эксперименты по воспламенению смесей С3Н8/02/Аг проводились в ударной трубе с внутренним диаметром 38 мм, изготовленной из нержавеющей стали. Характеристики трубы и методика измерения подробно описаны в работе [23]. Температура и давление за отраженной волной рассчитывались по измеренной скорости распространения падающей ударной волны, В, и известному начальному давлению исследуемой смеси в секции низкого давления и составляли в экспериментах 1220—1750 К и (0.65 ± 0.05) МПа соответственно. За задержку воспламенения (т) принимался временной интервал между приходом ударной волны к торцу трубы и 10%-ным увеличением давления в торцевой части. Эксперименты проводились с тремя смесями — стехиометрической (ф = 1.0), бедной (ф = 0.33) и богатой (ф = 3.0), где ф — коэффициент избытка горючего; отношение Аг/О2 в смесях равнялось отношению ^/О2 в воздухе; объемные концентрации С3Н8 и О2 в смесях составляли 1.4—11% и 18.3—21%, соответственно. Результаты экспериментов приведены на рис. 1. Из рис. 1 следует, что для пропана задержки воспламенения изменяются в 2—2.5 раза в зависимости от коэффициента избытка горючего при переходе от бедных (ф = 0.33) к богатым (ф = 3.0) смесям при одном и том же общем давлении. Такое поведение т(ф) для воспламенения пропана отличается от пове-

дения т(ф) для ацетилена [23] и более близко к поведению т(ф) для этана, метана и этилена [24, 25].

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

В литературе представлено достаточно много кинетических механизмов, которые используются при численном моделировании воспламенения и горения пропана [7, 13-15, 26-28]. Данные схемы постоянно обновляются и корректируются [7, 13, 28, 29]. Во всех расчетах мы пользовались программным продуктом CHEMKIN III [30]. Программный код данного пакета для автоматического вычисления констант скорости обратных реакций и тепловых эффектов элементарных реакций требует использования термодинамических полиномов в стандартном виде NASA [31]. Для корректности вычислений для каждого из механизмов работ [13, 29] мы использовали термодинамические полиномы, представленные в этих работах. В случае вычислений по собственной кинетической схеме данные термодинамических полиномов заимствовались из работы [32]. В расчетах за задержку воспламенения принималось время увеличения начальной температуры на 10%.

На первом этапе мы попытались описать собственный и представленный в литературе экспериментальный материал по измерению задержек

с)

-3 -

-4

/'А

г

г

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

103/Г, К-1

Рис. 2. Сравнение экспериментально наблюдаемых и рассчитанных задержек воспламенения смесей пропана с кислородом. Смесь 0.8% С3Н8 + 8% О2 в Лг при Р = 0.5 МПа: • - данные [21], О - данные [5]; 1, 2, 3 - расчеты по схемам таблицы и из работ [13] и [29] соответственно. Смесь 4% С3Н8 + 20.2% О2 в Лг: ▲ - данные [21] при Р = 0.7 МПа, А -данные [5] при Р = 0.5 МПа, линии 4 и 5 - соответствующие им расчеты по схеме таблицы. Линия 6 соответствует расчету тд для данных из работы [5] (А).

воспламенения в смесях пропана с кислородом. Однако если в целом собственные значения т кинетические схемы работ [13, 29] описывают удовлетворительно, то данные [5, 9] для Т < 1100 К не удается описать совсем (рис. 2, 3). Тогда мы скомпоновали кинетический механизм на основе механизмов воспламенения метана, этана, ацетилена и этилена [23-25] и добавили к нему реакции с участием пропана и радикалов /-С3И7 и п-С3И7 из работ [13, 29]. Затем, следуя рекомендациям из работ [5, 7], чтобы улучшить описание, дополнили кинетическую схему реакциями с участием С^ОО и С^ООИ (/ = 1, 2; у = 3, 5). Предварительная кинетическая схема насчитывала около 700 реакций и почти 90 компонент. Поскольку такой громоздкий механизм сложен в анализе и практическом применении, то было проведено его редуцирование посредством отбора основных каналов взаимодействия молекул, радикалов и атомов по оценке важности каждой элементарной реакции по методике из работы [24]. Окончательный кинетический механизм представлен в таблице и состоит из 281 реакции.

На рис. 1 представлено сопоставление результатов численного расчета по механизму таблицы с собственными экспериментальными результатами по измерению задержек воспламенения пропана в кислороде. Как следует из рис. 1, получено

хорошее согласование экспериментальных и расчетных данных для всех значений ф (0.33, 1.0, 3). Хорошо удалось описать и экспериментальные

!ё(т, с)

-1

-2

-3

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2 1.3

103/Г, К-1

Рис. 3. Сравнение экспериментально наблюдаемых и рассчитанных задержек воспламенения смесей пропана с кислородом: • - данные [9] для смеси 2.1% С3Н8 + 20.6% О2 в Лг при Р = 1 МПа; 1, 2, 3 - соответствующие расчеты тс по кинетическим механизмам таблицы и работ [13] и [29]; 4 - расчет тд.

-3.0

-3.5

-4.0

-4.5

^(т, с)

-5.0

0.55 0.60 0.65 0.70 0.75

103/Т, К-1

Рис. 4. Сравнение экспериментально наблюдаемых и рассчитанных по схеме таблицы характерных времен свечения СН* и выхода [ОН]: •, 1 - данные [11] и расчет (см. текст) по регистрации максимума свечения СИ* для смеси 4% С3Н8 + 20% О2 в Лг при Р = = 0.117 МПа; А, О - времена выхода [ОН] на 1-е и 2-е плато, соответствующие 0.9 и 0.5 от [ОН]плато для смеси 0.05% С3Н8 + 0.25% О2 в Лг при Р « 0.218 МПа по данным из работы [22], 2 и 3 - соответствующие расчеты.

Мольная фракция ОН, ррт

/

/

/

200

400

600

800 г/10-6, с

Рис. 5. Сравнение экспериментально наблюдаемых и рассчитанных профилей выхода [ОИ] по данным работы [22] для смеси 0.05% С3Н8 +

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Химия»