ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2012, том 31, № 8, с. 30-36
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 541.126
ГАЗОФАЗНОЕ ВОСПЛАМЕНЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДОВ © 2012 г. А. А. Борисов1, Н. М. Рубцов2, Г. И. Скачков1, К. Я. Трошин1*
Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва 2Институт структурной макрокинетики и материаловедения Российской академии наук, Черноголовка
*E-mail: troshin@chph.ras.ru Поступила в редакцию 13.09.2011
Работа посвящена экспериментальному исследованию воспламенения углеводородов в низкотемпературной области, проведенному в статической установке перепускного типа. Особенностью исследования было использование скоростной цветной киносъемки для визуализации процесса самовоспламенения. Установлена очаговость воспламенения в низкотемпературной области, свойственная и другим методам измерения задержек воспламенения в диапазоне высоких и средних температур (ударная труба, машина быстрого сжатия). Очаговость воспламенения вызвана газодинамическими явлениями, связанными с различными способами нагрева газа до заданной температуры. Воспламенение же в самом очаге носит цепочно-тепловой характер. Появление видимого очага можно считать началом возникновения горячего пламени. Показано, что в режиме самовоспламенения развитие фронта пламени от начального очага происходит по индукционному механизму, предсказанному Я.Б. Зельдовичем, а не по диффузионному. Введение в реактор каталитической поверхности в виде платиновой проволоки оказывает каталитическое влияние в температурной области, характерной для появления отрицательного температурного коэффициента, в то время как в области более низких температур эта поверхность не оказывает никакого влияния на задержку воспламенения.
Ключевые слова: воспламенение, углеводородные топлива, очаговое воспламенение, скоростная киносъемка, отрицательный температурный коэффициент, индукционный механизм распространения пламени, статическая установка, каталитическая поверхность, конвективный теплообмен, цепочно-тепловой взрыв, задержка воспламенения.
ВВЕДЕНИЕ
Воспламенение, или, как часто говорят, самовоспламенение горючих систем связано прежде всего со спонтанным протеканием химической реакции. Употребляя термин "самовоспламенение", желают подчеркнуть именно тот факт, что химическая реакция в реагирующей среде начинается и развивается за счет собственного механизма реакции при начальных условиях, т.е. при значениях температуры, давления и концентрации реагентов, обеспечивающих достаточно быстрое ее протекание.
Оказывается, что, несмотря на все разнообразие реагирующих систем и условий зарождения и бурного протекания в них химических реакций, чрезвычайно сложно установить механизм воспламенения системы. Вопросами теории воспламенения реагирующих систем занимались такие выдающиеся ученые, как Н.Н. Семенов, Д.А. Франк-Каменецкий, О.М. Тодес, Я.Б. Зельдович [1—4] и др. Были выделены два класса реагирующих систем, в которых наиболее ярко проявились два основных фактора. Это развитие цепной реакции и выделение тепла, которые в классических работах по самовоспламенению рассматривались незави-
симо. Одна из важнейших черт процессов воспламенения — существование предельных условий, при которых конкуренция транспортных процессов (диффузия и теплопередача), уводящих из системы активные частицы и тепло, и химических реакций, поставляющих их, приводит к фактическому прекращению реакции. Рассмотрение этих процессов легло в основу теорий цепного и теплового взрывов.
В действительности же можно указать очень мало реагирующих систем, самовоспламенение которых происходит по чисто цепному или чисто тепловому механизму. Так, например, в механизме окисления практически всех топлив оба фактора контролируют процесс, усиливая друг друга. В этом случае имеет смысл говорить о цепочно-тепловом механизме воспламенения [5].
Совершенно очевидна практическая важность исследования закономерностей воспламенения топлив, среди которых основное место занимают углеводороды, однако и по нынешний день нет полной ясности в понимании загадочных явлений, сопровождающих этот процесс. Прежде всего это стадийное воспламенение и отрицательные температурные коэффициенты (ОТК), наблюда-
емые в низкотемпературной области. Нет единого мнения исследователей и по поводу детальных механизмов окисления углеводородов в этой области температур.
Задержка воспламенения — одна из важнейших макрокинетических характеристик цепочно-теплового воспламенения, поддающаяся относительно простому измерению. Однако все существующие методы их измерения основаны на различных физических способах нагрева газа, к сожалению, не обеспечивающих мгновенного равномерного прогрева исследуемых смесей до необходимой температуры. Кроме того, они так или иначе связаны с течением газовых смесей, а следовательно, с наличием конвективного тепломассообмена и газодинамических возмущений. Это явление в значительной мере усложняет картину распределения температуры в реакторе. Скоростью нагрева смеси определяется диапазон измеряемых по использованной в настоящей работе методике задержек воспламенения, так как время прогрева смеси определяет нижнюю границу диапазона измерения. Из работ [6, 7] известно, что в условиях ударной трубы и машины быстрого сжатия самовоспламенение носит очаговый характер. Реакция никогда не начинается сразу по всему объему. По всей вероятности, очаговое воспламенение — это скорее всего правило, а не исключение. Гомогенное воспламенение (сразу во всех точках объема) есть идеальный случай, который экспериментально пока не наблюдался.
В классической работе [3], посвященной разработке теории цепного и теплового взрыва, для простоты рассуждений рассматривается поведение системы в предположении мгновенного прогрева среды до заданной температуры. В другой классической работе [4] показано, что даже при идеальном равномерном прогреве реагирующей смеси и при кондуктивной теплопередаче воспламенение всегда должно происходить локально (в центре сосуда). На практике оказывается невозможным реализовать такие идеальные условия равномерного мгновенного прогрева смеси в реальных установках. Во всех реальных установках не удается исключить флуктуации температурного поля, т.е. преждевременное (по сравнению с идеальной ситуацией) воспламенение смеси в отдельных малых объемах. А значит, применение результатов классической теории цепного и теплового взрыва необходимо адаптировать к реальным условиям. Иными словами, необходимо учитывать, что на кинетические и тепловые факторы накладывается тепломассоперенос в условиях турбулентного потока, что в значительной степени усложняет физическую картину явления.
Температурные измерения [8], проведенные в статической установке перепускного типа, показали существенную роль конвективного теплооб-
Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 — сферически-цилиндрический реактор, 2 — электронагреватель, 3 — теплоизоляция, 4 — вентили, 5 — смеситель, 6 — цифровая кинокамера, 7 — оптическое окно, 8 — полусферическая вставка, 9 — датчик давления, 10 — система регистрации информации на основе АЦП и компьютера, 11 — цифровой милливольтметр, 12 — система искрового зажигания.
мена в динамике нагрева исследуемой смеси до заданной температуры. Оказалось, что времена прогрева смеси не превышают 0.2 с, что более чем на два порядка ниже расчетного времени прогрева при кондуктивном теплообмене. Однако для более глубокого понимания деталей процесса самовоспламенения при низких температурах необходимо было провести его визуальное наблюдение.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Экспериментальное исследование воспламенения углеводородных топлив проводили в условиях статической установки перепускного типа. Схема установки показана на рис. 1. Согласно этой методике заранее перемешанная горючая смесь из перепускного сосуда через электромагнитный клапан поступает в вакуумированный реактор, нагретый до заданной температуры. В экспериментах использовали реактор из нержавеющей стали, состоящий из полусферы и цилиндрической части, внутренним диаметром 12 и длиной 25 см, снабженный окном из оптического кварца КУ-1. Диаметр смотровой части окна составлял 11 см, что давало возможность полностью визуализировать процесс в реакторе.
При необходимости в центре реактора располагали электроды искрового зажигания, расстояние между которыми составляло 0.5 мм. Энергия разряда конденсатора — 0.98 Дж. Наличие искро-
580
581
582
583
Рис. 2. Зарождение и развитие очагов воспламенения на примере стехиометрической смеси С5Н12 в воздухе. Начальное давление — 3 ата, температура — 639 К. Частота съемки — 600 кадров/с. Цифры — нумерация кадров.
0 c
0.0117 c
0.0200 c
0.0250 c
Рис. 3. Зажигание электрической искрой. Положение фронта пламени в разные моменты времени. Начальные условия: стехиометрическая смесь пентана с воздухом, Т0 = 597 К, Ро = 1 ата. Частота съемки — 600 кадров/с.
вого зажигания давало возможность проводить контрольные эксперименты по регистрации развития нормального фронта пламени при вынужденном зажигании.
Эксперименты проводили со стехиометриче-скими смесями пентана с воздухом и богатыми смесями (а = 0.30) пропана и воздуха при давлении 3 ата. Регистрацию свечения при воспламенении осуществляли цветной цифровой кинокамерой Casio Exilim F1 Pro (частота — 300—1200 кадров/с), сигнал с которой подавали на компьютер. Давление в ходе эксперимента регистрировали с помощью пьезоэлектрического датчика Карат-ДИ, сигнал с которого подавали через АЦП на компьютер. Перед каждым опытом реактор откачивали с помощью форвакуумного насоса 2НВР-5Д. Давление в реакторе измеряли образцовым вакуумметром.
На рис. 2 приведены характерные кадры киносъемки воспламенения, полученные с частотой съемки 600 кадров/с. Нумерация кадров ведется от момента окончания перепуска горючей смеси в нагретый реактор. Таким образом, в данном примере воспламенение началось спустя 0.97 с после закрытия электромагнитного клапана.
Не было зарегистрировано ни одного случая объемного воспламенения, т.е. одновременного воспламенения смеси во всем объеме реактора.
Воспламенение всегда н
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.