ЖУРНАЛ ФИЗИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2010, том 84, № 5, с. 993-997
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 534.22.2 + 621.762.212.001
ВЛИЯНИЕ ДОБАВОК Kr, CO2, изо-С4Н8 НА ВРЕМЕНА ФОРМИРОВАНИЯ УСТОЙЧИВОГО ФРОНТА ПЛАМЕНИ СМЕСЕЙ ПРИРОДНОГО ГАЗА, ИЗОБУТИЛЕНА С КИСЛОРОДОМ И ВОДОРОДА С ВОЗДУХОМ ПРИ ИНИЦИИРОВАНИИ ИСКРОВЫМ РАЗРЯДОМ © 2010 г. Н. М. Рубцов, Б. С. Сеплярский, В. И. Черныш, Г. И. Цветков
Российская академия наук, Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения,
Черноголовка, Московская область
E-mail: nmrubtss@mtu-net.ru Поступила в редакцию 12.05.2009 г.
С помощью цветной скоростной цифровой киносъемки изучено распространение ламинарного сферического пламени на начальной стадии в предварительно перемешанных стехиометрических смесях природного газа, изобутилена с кислородом и добавками криптона и углекислого газа, а также в водородо-воздушной смеси при атмосферном давлении в бомбе постоянного объема. Показано, что в условиях эксперимента (T0 = 298 К, p0 = 100 Торр, энергия искрового разряда E0 = 0.91 Дж) при разбавлении горючих смесей этими добавками время формирования устойчивого фронта пламени увеличивается более чем в 10 раз. Установлено, что введение малой химически активной добавки (1.2% изобутилена) в стехиометрическую смесь водорода с воздухом приводит к резкому увеличению времени формирования устойчивого фронта пламени, что указывает на важную роль химического механизма реакции в формировании очага горения.
В большинстве процессов газофазного горения химические реакции в пламени идут по сложному разветвленно-цепному механизму с участием активных частиц (атомов и радикалов), при этом скорость разветвления цепей существенно зависит от температуры [1—5], что позволяет использовать химические методы для управления горением [2—4]. В механизмах окисления углеводородов реакция нелинейного разветвления цепей, которая может обеспечить нетепловое распространение пламени, отсутствует [5]. Поэтому главным фактором обратной связи, обеспечивающим стационарное распространение зоны химической реакции, является саморазогрев, наряду с особенностями кинетики процесса горения [6, 7].
Формирование стационарного фронта пламени (ФП) при искровом зажигании горючей углеводородной смеси является малоизученной областью физики горения [1, 2, 5, 8, 9]. Одной из причин такого состояния проблемы является трудность экспериментального изучения процесса зажигания, связанная с малыми временами формирования ФП.
Целью настоящей работы является экспериментальное определение условий формирования устойчивого сферического фронта пламени с использованием скоростной цветной киносъемки.
Зона интенсивного свечения фронта пламени и зона максимального изменения плотности газа, фиксируемая в проходящем свете (теневой и
шлирен методы) не совпадают одна с другой. Это различие должно быть особенно существенно при изучении начальной стадии процесса зажигания, что не позволяет использовать теневой метод для фиксации момента формирования устойчивого ФП.
В отличие от теневого метода, когда регистрируется только область резкого изменения плотности газа в волне горения, цветная киносъемка дает возможность регистрировать интенсивность излучения, что позволяет надежно изучать динамику изменения положения ФП в пространстве и во времени, даже на стадии формирования ФП.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Экспериментальная установка состоит из бомбы постоянного объема, представлявшей собой кварцевый цилиндр диаметром 8 и высотой 12 см с оптическими окнами на торцах и с боковой стороны цилиндра, систем напуска газов и поджига горючей смеси. Регистрацию излучения при распространении ФП осуществляли цветной скоростной кинокамерой Casio Exilim F1 Pro (частота кадров — 300—1200 с-1), сигнал с которой подавали на компьютер. Зажигание осуществляли с помощью искрового разряда (E0 = 0.91 Дж) в центре реактора, расстояние между электродами составляло ~0.5 мм. Эксперименты проводили с горючими стехиометрическими смесями природного газа (ПГ) и изобутилена (изо-С4Н8) с кислородом
(а)
(б)
Рис. 1. Киносъемка процесса распространения сферического фронта пламени с частотой кадров 1200 с-1: а — (ПГ + О2)стех + 50% СО2, p0 = 100 Торр, Т0 = 298 К, Е0 = 0.91 Дж; б — (изо-С4Н8 + О2)стех + 80% Кг, p0 = 100 Торр, Т0 = 298 К, Е0 = 0.91 Дж.
при разбавлении инертными добавками СО2 и Кг Кг в смесь ПГ + О2 составляли 20—45% для СО2 и при общем суммарном давлении р0 = 100 Торр и 30—75% для Кг, а в смесь изо-С4Н8 + О2 составля-начальной температуре Т0 = 298 К. Добавки СО2 и ли 35—60% для СО2 и 60—80% для Кг.
г, мм 60 -
50 4030 20
(а)
10
7 1 6 Г I
Кг
со2
10
15
20
г х 10-3, с
Рис. 2. Временная динамика увеличения видимого радиуса излучения сферического фронта ламинарного пламени в зависимости от состава горючей смеси (р = 100 Торр, 298 К): а — 1 - 70% (ПГ + О2)стех + 30% СО2, 2 - 65% (ПГ + О2)стех + 35% СО2, 3 - 60% (ПГ + О2)стех + 40% СО2, 4 -55% (ПГ + О2)стех + 45% СО2, 5 - 55% (ПГ + О2)стех + 45%Кг; 6 -50%(ПГ + О2)стех + 50% Кг ; 7- 40% (ПГ + О2)стех + 60% Кг; 8 - 30%(ПГ + О2)стех + 70% Кг; 9 - 25% (ПГ + О2)стех + + 75% Кг; б - 1 - 50% (изо-С4Н8 + О2)стех + 50% СО2; 2 - 40% (изо-С4Н8 + О2)стех + 60%СО2; 3 - 40% (изо-С4Н8 + + О2)стех + 60% Кг; 4-35% (изо-С4Н8 + О2)стех + 65% Кг ; 5 - 30% (изо-С4Н8 + О2)стех + 70% Кг; 6 - 20% (изо-С4Н8 +
В экспериментах с горением водородо-воз-душных смесей при атмосферном давлении использовали реактор из нержавеющей стали длиной 16 см и диаметром 10 см, снабженный съемными крышками и оптическими окнами из оргстекла. В центре реактора располагали электроды искрового зажигания, расстояние между которыми составляло 0.5 мм. Использовали смеси 40%Н2 + воздух + (0-1.2%) изо-С4Н8. Для визуализации пламени в смесь добавляли 0.5% СС14.
Давление в процессе горения регистрировали с помощью пьезоэлектрических датчиков, сигнал с которых подавали на электронно-лучевой запоминающий осциллограф С9-16. Перед каждым опытом реакторы откачивали до давления 10-2 Торр с использованием форвакуумного насоса 2НВР-5Д. Давление в реакторах измеряли газоразрядным манометром ВДГ-1 и вакуумметром ВИТ-2. Природный газ по данным газовой хроматографии содержал 98% метана (2% пропана и бутана), газы О2, СО2, Кг, изо-С4Н8, а также СС14 использовали марки "х.ч."
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
На рис. 1 представлен типичный результат киносъемки процесса формирования и распространения сферических ФП с частотой кадров 1200 с-1 ((ПГ + О2)стех + 50% СО2, (изо-С4Н8 + О2)стех + 70%
Кг, Р = 100 Торр, Т0 = 298К, Е0 = 0.91 Дж). На этих кадрах хорошо визуализируется сферический голубой ФП, обусловленный излучением электронно-возбужденных частиц СН (431 нм), СН2О (470 нм) [2.10], опережающий высокотемпературную оранжевую область свечения продуктов горения. Из рис. 1 видно, что в разбавленных смесях отчетливо регистрируется период индукции в процессе развития очага инициирования (кадры 3-5 рис. 1а, кадры 3-4 рис. 1б).
Отметим, что исследование процесса выхода скорости распространения пламени водород-кислород-азот и водород-углеводород-кислород-азот при 1 атм на стационарное значение исследовали в работе [11, 12]. Полученные результаты трактовали только с той точки зрения, что время формирования стационарного ФП зависит, прежде всего, от кривизны фронта пламени на начальной стадии. Однако, из рис. 2, на котором представлена динамика увеличения видимого радиуса гх очага, а затем и сферического ФП в зависимости от состава смеси, видно, что время возникновения стационарного ФП возрастает с увеличением степени разбавления горючей смеси (т.е. при приближении к концентрационному пределу) и не определяется кривизной ФП. Кроме того, хотя в пламени ПГ-О2 образуются вторичные очаги воспламенения (яркие точки на рис. 1а), имеющие совершенно другую кривизну,
Рис. 3. Формирование устойчивого фронта пламени в смеси Н2 — воздух при атмосферном давлении в присутствии 1.2% ИЗО-С4Н8. Фронт водородного пламени подсвечен добавкой 0.5% ССЦ. Скорость съемки 1200 кадров/с.
эти возмущения ФП не приводят к изменению скорости пламени (см. рис. 2). Укажем, что факт обнаружения вторичных очагов воспламенения при горении природного газа в литературе не описан и требует дальнейшего исследования.
По данным рис. 2 были определены времена формирования устойчивого ФП — т.. Это время, представляющее собой период индукции и особенно отчетливо выраженное для околопредельных смесей (кривые 4, 9 рис. 2а и кривые 2,6рис. 2б), определялось как момент выхода на линейную зависимость координаты фронта пламени от времени. Обработка экспериментальных данных позволила сделать вывод о том, что для этих исследуемых смесей момент выхода на линейную зависимость координаты фронта пламени соответствует радиусу ФП 4 ± 1 мм как для СО2 так и для Кг в качестве разбавителя. Данные, приведенные на рис. 2, для околопредельных смесей свидетельствуют о существовании начального очага горе-
ния минимального размера, из которого может развиться стационарная волна горения [13—15].
Задача об очаговом тепловом взрыве наряду с анализом нестационарной картины воспламенения очага разогрева для химической реакции нулевого порядка рассмотрена в работах [14, 15]. Анализ очагового воспламенения в [14, 15] сводится к изучению динамики зоны реакции в условиях охлаждения очага инертной средой. С течением времени происходит охлаждение вещества у поверхности очага, граница зоны реакции перемещается к центру очага. Если к моменту времени, когда адиабатический период индукции теплового взрыва, рассматриваемого в этой упрощенной модели, еще не истек, размер зоны реакции в очаге станет таким, что тепло не будет успевать отводиться, то произойдет воспламенение очага. Таким образом, для воспламенения очага необходимо, чтобы за время адиабатического периода индукции размер зоны реакции не стал меньше критического. Последовательности
кадров, приведенные на рис. 1 а, б позволяют сделать вывод, что эта модель качественно описывает эволюцию очага. Вместе с тем очевидно, что рассмотрение теплового взрыва очага на примере одностадийной реакции нулевого порядка не дает возможности учест
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.