ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, 2011, том 30, № 1, с. 38-47
ГОРЕНИЕ, ВЗРЫВ ^^^^^^^^^^^^ И УДАРНЫЕ ВОЛНЫ
УДК 541.126
ВЛИЯНИЕ ИНЕРТНЫХ И АКТИВНЫХ ДОБАВОК НА ИНИЦИИРОВАНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЛАМИНАРНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ПЛАМЕН В СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИХ СМЕСЯХ МЕТАНА, ПЕНТАНА И ВОДОРОДА С ВОЗДУХОМ
© 2011 г. Н. М. Рубцов1*, К. Я. Трошин2*, А. А. Борисов2, Б. С. Сеплярский1,
В. И. Черныш1, Г. И. Цветков1
Институт структурной макрокинетики и материаловедения Российской академии наук,
Черноголовка, Московская обл.
2Институт химической физики им. Н.Н. Семенова Российской академии наук, Москва *Е-таП: nmrubtss@mtu-net.ru; troshin@chph.ras.ru Поступила в редакцию 16.06.2010
Распространение ламинарного сферического пламени на начальной стадии в стехиометрических смесях метана, пентана с воздухом и добавками аргона и углекислого газа, а также в водородо-воз-душной смеси с добавками пропилена при атмосферном давлении в бомбе постоянного объема было исследовано с помощью скоростной цветной киносъемки. Показано, что в условиях эксперимента (Т0 = 298 К, энергия искрового разряда Е0 = 0.91 Дж) разбавлением горючих смесей этими добавками можно увеличить время формирования устойчивого фронта пламени более чем в 10 раз, при этом флегматизирующее воздействие добавок углекислого газа на горение углеводородов сильнее, чем аргона. Установлено, что ингибирующее действие малой химически активной добавки пропилена на горение водорода приводит к резкому увеличению времени формирования стационарного фронта пламени и уменьшению скорости распространения пламени.
Ключевые слова: ламинарное сферическое пламя, нормальная скорость горения, скоростная цветная киносъемка, окисление водорода, углеводороды, ингибирование, малая активная добавка.
ВВЕДЕНИЕ
В большинстве процессов газофазного горения химические реакции в пламенах идут по сложному многостадийному разветвленно-цеп-ному механизму превращения с участием активных частиц (атомов, радикалов) [1—5], что позволяет использовать химические методы для управления горением [2—4].
Видимая скорость распространения фронта пламени (ФП) Уч в углеводородных смесях отражает наряду с газодинамическим фактором также влияние обоих взаимосвязанных факторов процесса горения — цепной и тепловой. В механизмах окисления углеводородов реакция невырожденного разветвления цепей, которая может обеспечить чисто цепное распространение пламени, отсутствует [5]. Поэтому преобладающим фактором, обеспечивающим стационарное распространение зоны химической реакции, является саморазогрев, что указывает на применимость тепловой теории распространения пламени [1], учитывающей особенности кинетики цепной реакции,
протекающей как в предпламенной зоне, так и в зоне самого пламени [6, 7].
С учетом степени расширения продуктов горения из величины Уч для ламинарного пламени регулярной формы можно получить значение нормальной скорости распространения ФП ип, являющейся фундаментальной характеристикой процесса горения [1, 5]. В работе [6] при анализе горения газовой смеси с сильно разветвленной цепной реакцией в приближении узкой реакционной зоны было показано, что температура в зоне разветвления может быть ниже адиабатической температуры горения, при этом зоны разветвления цепей и тепловыделения оказались разнесенными в пространстве. В работе [7] на основе модели узкой зоны [6] и учета особенностей разветвленно-цепно-го механизма реакции окисления водорода было рассмотрено влияние малых добавок химически активных примесей (ингибиторов), введенных в разветвленно-цепную реакцию горения, на величину ип. Было показано, что наличие положительной обратной связи между скоростью горения и количеством гибнущих активных центров в
реакции с ингибитором позволяет достигнуть предела распространения пламени при небольшом содержании ингибитора в смеси [4, 5], так как гибель активных центров в реакции с ингибитором приводит к увеличению протяженности зоны реакции в пламени и, следовательно к уменьшению температуры горения за счет меньшего потока тепла, поступающего из зоны горения в свежую смесь.
Формирование стационарного 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.
Укажем, что зона интенсивного свечения фронта пламени и зона максимального изменения плотности газа, фиксируемая в проходящем свете (теневой и шлирен методы [5]) не совпадают одна с другой. Это различие должно быть особенно существенно при изучении начальной стадии процесса зажигания, что не позволяет использовать менее чувствительный 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 зоны интенсивной реакции в пространстве и во времени, даже на стадии формирования ФП.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Эксперименты проводили с горючими стехио-метрическими смесями водорода, метана и пен-тана с воздухом, разбавленными инертными добавками углекислого газа (СО2) и аргона (Аг), при общем атмосферном давлении и начальной температуре Т0 = 298 К. Добавки СО2 и Аг в смесь СН4 — воздух составляли 5—11% СО2 и 15—30% Аг, а в смесь С5Н12 — воздух составляли 10—20% СО2 и 15—30% Аг. Влияние малой химически активной добавки на горение углеводородов исследовали, добавляя до 2% СС14 к смесям 90% (углеводород-воздух) + 10.5% СО2. Использовали также смеси 40% Н2 + воздух + (1-2%) С3Н6. Для визуализации пламени в смесь добавляли 1% четыреххло-ристого углерода (СС14).
4
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.
В экспериментах использовали реактор (см. рис. 1) из нержавеющей стали, состоящий из полусферы и цилиндрической части, внутренним диаметром 12 см и длиной 25 см, снабженный съемными крышками и окном из оптического кварца КУ-1. В центре полусферической части реактора располагали электроды искрового зажигания, расстояние между которыми составляло 0.5 мм. В контрольных экспериментах в реактор вводили полусферическую вставку для придания ему сферической формы, при этом за процессом следили с помощью датчика давления. Диаметр сферы составлял 12 см, а в опытах с фотографией пламен реактор оказывался несферичным, и в расчетах использовался его эффективный радиус, равный корню кубическому из объема реактора, деленному на (4/3) п.
Регистрацию излучения при распространении ФП осуществляли цветной цифровой кинокамерой Casio Exilim F1 Pro (частота кадров — 300— 1200 с-1), сигнал с которой подавали на компьютер.
Давление в процессе горения регистрировали с помощью пьезоэлектрического датчика "Карат"-ДИ, сигнал с которого подавали через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) на компьютер. Перед каждым опытом реактор откачивали с использованием форвакуумного насоса 2НВР-5Д. Давление в реакторе измеряли образцовым вакуумметром. Газы СН4, О2, СО2, Аг, С3Н6, а также СС14 использовали марки ХЧ.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 2 представлен типичный результат киносъемки процесса формирования и распространения сферических ФП, выполненной с частотой кадров 600 с-1 ((СН4 + воздух)стех + 25% Аг, (С5Н12 + + в оздух) стех + 10% СО2, Т0 = 298 К, Е0 = 0.91 Дж). В развившемся горении хорошо визуализируется сферический голубой ФП, обусловленный излучением электронно-возбужденных частиц СН (431 нм), СН2О (470 нм) [2], опережающий высокотемпературную оранжевую область свечения продуктов горения. Из рис. 2 видно, что в разбавленных смесях отчетливо регистрируется временная задержка в процессе развития очага инициирования (кадры 2-9 на рис. 2а).
Отметим, что исследование процесса выхода скорости распространения пламен водород-кислород-азот и водород-углеводород-кислород-азот на стационарное значение в зависимости от состава горючей смеси при 1 атм исследовали в работах [11, 12]. Полученные результаты авторы работ трактовали с той точки зрения, что время формирования стационарного ФП зависит, прежде всего, от кривизны фронта пламени на начальной стадии горения. С помощью покадровой обработки результатов видеосъемки процесса горения, а также по кривой роста давления методом начального участка была определена динамика увеличения видимого радиуса Я очага, а затем и сферического ФП для различных составов смесей (рис. 3). Как видно из рисунка, время возникновения стационарного ФП возрастает с увеличением степени разбавления горючей смеси и определяется не только кривизной ФП. Кроме того, как показано в [9] в пламенах СН4— О2 образуются вторичные очаги воспламенения, имеющие совершенно другую кривизну, эти возмущения ФП не приводят к изменению скорости пламени.
На рис. 4 приведены кривые роста давления в реакторе при инициированном воспламенении стехиометрической смеси пентана с воздухом в присутствии 10% СО2. Кривая с перегибом соответствует горению в цилиндрическом реакторе, кривая с одним максимумом соответствует горению в реакторе со сферической геометрией. Сравнение этих кривых показывает, что перегиб кривой роста давления в цилиндрическом реакторе соответствует моменту касания сферическим пламенем боковых стенок реактора. Было показано, что максимум давления в цилиндрическом реакторе достигается, когда исчезают возмущения пламени, возникающие после касания пламенем стенок реактора (например, кадр 110 рис. 2б). Таким образом, при касании пламенем сте
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.