ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2012, том 46, № 1, с. 86-93
УДК 621.762.212.001+542.943:546.281:541.127
ВЛИЯНИЕ ИНЕРТНЫХ И АКТИВНЫХ ДОБАВОК НА ЗАКОНОМЕРНОСТИ ИНИЦИИРОВАНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЛАМИНАРНЫХ СФЕРИЧЕСКИХ ПЛАМЕН © 2012 г. Н. М. Рубцов, Б. С. Сеплярский, В. И. Черныш, Г. И. Цветков
Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН, г. Черноголовка, Московская область nmrubtss@mtu-net.ru Поступила в редакцию 14.05.2009 г.; после доработки 21.10.2009 г.
С помощью цветной скоростной цифровой киносъемки исследовали начальную стадию распространения инициированного разрядом ламинарного сферического пламени в стехиометрических смесях природного газа и изобутилена с кислородом и добавками криптона или углекислого газа, а также в водородо-воздушной смеси при атмосферном давлении в бомбе постоянного объема. При разбавлении горючих смесей этими добавками время формирования устойчивого фронта пламени увеличивается более чем в 10 раз. Флегматизирующее воздействие добавок углекислого газа на горение углеводородов сильнее, чем криптона. Отношение времен формирования устойчивого фронта пламени обратно пропорционально соответствующему отношению разогревов в пламенах горючих смесей. Введение малой химически активной добавки (1.2% изобутилена) в стехиометрическую смесь водорода с воздухом приводит к резкому увеличению времени формирования устойчивого фронта пламени.
ВВЕДЕНИЕ
В большинстве процессов газофазного горения химические реакции в пламенах идут по сложному многостадийному разветвленно-цепному 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 V горения углеводородов характеризует оба взаимосвязанных фактора процесса горения -цепной и тепловой. При окислении как водорода, так и углеводородов нетепловое распространение пламени, которое указывает на важную роль нелинейного разветвления цепей, отсутствует. [5]. Поэтому главным фактором обратной связи, обеспечивающим стационарное распространение зоны химической реакции, является саморазогрев, что указывает на применимость тепловой теории распространения пламени [1], учитывающей особенности кинетики процесса горения [6, 7].
С учетом степени расширения продуктов горения из величины V можно получить значение нормальной скорости распространения фронта пламени ^ 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 адиабатиче-
ской 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 раз-ветвленно-цепного механизма реакции окисления водорода было рассмотрено влияние малых добавок химически активных примесей (ингибиторов), введенных в разветвленно-цепную реакцию горения, на величину ^ Было показано, что наличие положительной обратной связи между скоростью горения и количеством гибнущих активных центров в реакции с ингибитором позволяет выйти за пределы распространения пламени при небольшом содержании ингибитора в смеси [4, 5], так как гибель активных центров в реакции с ингибитором приводит к уменьшению температуры горения
Формирование стационарного фронта пламени 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 фронта пламени.
Целью настоящей работы является экспериментальное определение условий формирования устойчивого сферического фронта пламени с использованием скоростной цветной киносъемки.
Отметим, что зона интенсивного свечения фронта пламени и зона максимального изменения плотности газа, фиксируемая в проходящем свете
(шлирен-метод [5]), не совпадают одна с другой. Это различие должно быть особенно существенно при изучении начальной стадии процесса зажигания, что не позволяет использовать менее чувствительный шлирен-метод для фиксации момента формирования устойчивого фронта пламени.
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 фронта пламени.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Экспериментальная установка состояла из бомбы постоянного объема, представлявшей собой кварцевый цилиндр диаметром 8 см и высотой 12 см с оптическими окнами на торцах и с боковой стороны цилиндра, систем напуска газов и поджи-га горючей смеси. Регистрацию излучения при распространении фронта пламени осуществляли цветной скоростной кинокамерой Casio Exilim F1 Pro (частота кадров 300—1200 с-1), сигнал с которой подавали на компьютер.
Объем реактора составлял 690 см3 с учетом объема фланцев оптических окон и подводящих коммуникаций (87 см3). Зажигание осуществляли с помощью искрового разряда (Е0 = 0.91 Дж) в центре реактора, расстояние между электродами составляло ~0.5 мм. Эксперименты проводили с горючими стехиометрическими смесями природного газа (ПГ) и изобутилена с кислородом, разбавленными инертными добавками углекислого газа и криптона, при общем суммарном давлении Р0 = = 100 Торр и начальной температуре Т0 = 298 К. Добавки СО2 и Kr в смесь ПГ + О2 составляли 20-45% для СО2 и 30-75% для Kr, а в смесь изо-С4Н8 + О2 составляли 35-60% для СО2 и 60-80% для Kr.
В экспериментах с горением водородо-воздуш-ных 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 + (01.2%) 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 опы-
том 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, газы О2, СО2, Кг, изо-С4Н8; использовали СС14 марки "химически чистый".
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
На рис. 1 представлен типичный результат киносъемки процесса формирования и распространения сферического фронта пламени, выполненной с частотой кадров 1200 с-1 ((ПГ + О2)стех + 50% СО2, (изо-С4Н8 + О2)стех + 70% Кг, Р0 = 100 Торр, Т0 = 298 К, Е0 = 0.91 Дж). В развившемся горении хорошо визуализируется сферический голубой фронт пламени, 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 на рис. 1а, кадры 3 и 4 на рис. 1б).
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 работе [11, 12]. Полученные результаты авторы работ трактовали с той точки зрения, что время формирования стационарного фронта пламени зависит, прежде всего, от кривизны фронта пламени на начальной стадии горения. С помощью покадровой обработки результатов видеосъемки процесса горения была определена динамика увеличения видимого радиуса г1 очага, а затем и сферического фронта пламени для различных составов смесей (рис. 2). Как видно из рисунка, время возникновения стационарного фронта пламени возрастает с увеличением степени разбавления горючей смеси и не определяется кривизной фронта пламени. Кроме того, хотя в пламенах ПГ—О2 образуются вторичные очаги воспламенения (яркие точки на рис. 1а), имеющие совершенно другую кривизну, эти возмущения фронта пламени не приводят к изменению скорости пламени (см. рис. 2). Отметим, что причина возникновения вторичных очагов воспламенения при горении природного газа в литературе не установлена, что требует дальнейшего исследования.
По данным рис. 2 были определены времена формирования устойчивого фронта пламени тг. Это время определялось как момент выхода на ли-
(а)
в • к в 3 5
_& _______________________________.¡11 т 8 !9! 11
15
16| _НА 18 ¿9.1 «Г 1 20 :
Рис. 1. Киносъемка процесса распространения сферического фронта пламени с частотой кадров 1200 с 1 (интервал между кадрами 0.833 мс): (а) - (ПГ + О2)стех + 50% СО2, Р = 100 Торр, Т0 = 298 К, Е0 = 0.91 Дж; (б) - (изо-С4Н8 + + О2)стех + 80% Кг, Р = 100 Торр, Т0 = 298 К, Е0 = 0.91 Дж.
гь мм
60 '
50 40
(а)
Верхняя стенка реактора
30
20
10
10
15 20
г х 10-3, с
Т\, мм 60 '
50 40
(б)
Верхняя стенка реактора 6
30
20
10
10
15 20
г х 10-3, с
Рис. 2. Динамика увеличения видимого радиуса излучения фронта ламинарного пламени в зависимости от состава горючей смеси (Р = 100 Торр, Т = 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 + О2)ст
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.