Особенности горения богатых водородно-воздушных смесей

История изучения процессов горения и детонации газовых смесей насчитывает более ста лет. Однако основа современных представлений о процессах горения и взрыва была заложена в работе 1928 года «К теории процессов горения» [1], в которой Н.Н. Семенов указал на. существование двух различных типов воспламенения - цепного и теплового. В продолжении работы [2] была, предложена, обобщенная теория горения на. основе синтеза, цепных и тепловых представлений. В дальнейшем из этих представлений развились две теоретические модели - разветвленное-цепное горение [3] и теория теплового горения [4]. Теория теплового горения, применимая и к водороду, стала классической и подробно освещена. многими авторами [5-14]. Несмотря на. то, что работы по изучению цепного механизма. грения не прекращались [15-22], они как будто отошли на. второй план. Тепловая

теория подробно проработана, описана и все же не способна объяснить весь спектр явлений, возникающих при горении. Именно поэтому в последнее время снова возрос интерес к разветвленно-цепному механизму горения [23-30].

Из-за перспектив широкого использования в промышленности и в быту в своей работе мы обратили внимание на водород. Водород является опасным горючим газом, горение смесей которого возможно в широком концентрационном диапазоне. Зельдович в своей работе «Теория горения газов» приводит значения от 4% до 73,5% [9]. Большое количество работ, изданных в последнее время, направлены на изучение свойств бедных и околосте-хиометрических водородно-воздушных смесей как наиболее опасных [14, 23-29]. При этом совершенно незаслуженно оставлены без внимания богатые смеси. Богатая смесь при разбавлении воздухом проходит через стадию стехиометрического состава, вблизи которого любой развившейся процесс горения может перейти в детонацию. Данная работа посвеще-на изучению горения богатой водородно-воздушной смеси.

2.    Экспериментальное исследование

Принципиальная схема экспериментальной установки, на которой проводились исследования, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Схема, экспериментальной установки

Внутренний объем рабочей камеры установки имеет форму цилиндра, диаметром 66 мм и высотой 1 м. Рабочая камера, выполнена, из нержавеющей стали с толщиной боковой стенки 15 мм. Верхний и нижний торцы рабочей камеры герметично закрыты фланцами. Приготовление рабочей смеси проводится в смесительной емкости установки методом парциальных давлений последовательным смешением водорода, с кислородом и азотом. Контроль давления компонентов смеси производится образцовыми манометрами и вакуумметрами, класс точности которых - 0.15.

Регистрация процессов, происходящих внутри рабочей камеры, производится 4 тензо-резистивными датчиками давления марки ДД 2.5 производства. НИИТП и 10 коллимированными датчиками светового потока, чувствительными элементами которых являются кремниевые фотодиоды ФД10ГА. Точность измерения давления составляет не менее 0.5%. Для поджига смеси применялась нагреваемая платиновая проволока длиной 15 мм и диаметром 0,8 мм, которая располагалась внутри рабочей камеры на расстоянии 100 мм от торца. Платиновая проволока в экспериментах разогревалась электрическим током до температуры свыше 1500 °C, что обеспечивало гарантированный поджиг смеси.

Проведены эксперименты для чистой стехиометрической водородовоздушной смеси. Графики показаний 4-х датчиков давления и 10-ти световых датчиков от времени, представленные в виде ж — t-диаграмм, приведены на рис. 2 и рис. 3 соответственно.

Рис. 2. Сигналы с 4-х датчиков давления, представленные в виде ж—t-диаграммы (состав смеси: 29,6% H2+14,8%O2+55,6%N2)

Рис. 3. Показания 10 световых датчиков, представленные в виде ж — t-диаграммы (состав смеси: 29,6% H2+14,8%O2+55,6%N2)

Поскольку в условиях лабораторной экспериментальной установки «Пар» отсутствуют турбулизирующие препятствия, пламя не ускоряется до звуковой скорости даже в стехиометрической водородно-воздушной смеси, максимальное избыточное давление составляет 8 бар, а скорость распространения фронта пламени 138 м/с. В случае медленных дозвуковых процессов, все датчики давления всегда регистрируют одну и ту же величину (см. рис. 2). Заранее очевидно, что скорость распространения фронта пламени в богатых смесях всегда будет ниже, чем в стехиометрической. Поэтому в опытах с богатыми смесями все датчики давления также давали совпадающие между собой результаты, и далее мы будем представлять запись сигнала только одного из них в каждом эксперименте.

Таблица!

Результаты экспериментов

Опыт №	Концентрация Н2,%	t,°C	Pl,bar	tl,s	P2,bar	12,s
һ2034.іхс	75%	22	1,10655	0,810406
Һ2035.ІХС	75%	22	1,10375	0,821416		-
һ2036.іхс	77%	23	0,1514	0,235516	0,19385	1,13496
Һ2037.ІХС	77%	23	0,149282	0,224941	0,205883	1,22127
һ2038.іхс	77,5%	23	0,1224	0,207781	0,22145	1,0559
Һ2039.ІХС	77,5%	23	0,1217	0,206371	0,22075	1,02813
Һ2040.ІХС	78%	23	0,1231	0,333346	0,208	0.928396
һ2041.іхс	78%	23	0,1224	0.316246	0,19315	0.993811
h2043.ixc	79%	23	0,1811	0.790531

В настоящей работе проведена серия экспериментов для богатых модельных водродно-воздушных смесей при атмосферном давлении и при комнатной температуре.

Эксперименты проводились попарно на одной смеси. На графиках зависимости давления в рабочей камере от времени при горении смесей с концентрацией водорода от 77% до 78% отчетливо наблюдаются две области нарастания давления и два максимума. Условия проведения экспериментов, полученные максимумы давления и характерные времена их достижения представлены в табл. 1.

Показания четырех датчиков давления для экспериментов с содержанием водорода 75%, 77%, 77,5%, 78% и 79% представлены на рис. 4, 5, 6, 7, 8. ж — Тдиаграммы для этих концентраций не представлены, так как световой поток не обнаруживается средствами измерения используемой установки.

Рис. 4. Сигнал с датчика давления для смеси с содержанием водорода 75%

Рис. 5. Сигнал с датчика давления для смеси с содержанием водорода 77%

Рис. 6. Сигнал с датчика давления для смеси с содержанием водорода 77.5%

Наличие двух максимумов давления, разнесенных во времени при горении водородновоздушных смесей для концентраций Н от 77% до 78%, свидетельствует о наличии конкурирующих экзотермических и эндотермических процессов. Если графики сравнить между собой, то увеличение концентрации водорода не приводит к увеличению суммарного времени реакции, а два максимума вырождаются в один, который по времени лежит ближе ко второму максимуму. Если сравнить графики зависимости давления от времени для концентраций водорода 77% и 75%, то для 75% наблюдается изгиб, на тех же временах, что и первый максимум для 77%. Полученные экспериментальные данные не могут быть объяснены с точки зрения классической тепловой теории, однако разветвленно-цепная теория горения позволяет интерпретировать наблюдаемый эффект. В процессе горения происходит смена одного кинетического режима на другой, обусловленная накоплением энергии в системе и особенностями конкуренции разветвления и обрыва реакционных цепей.

Рис. 7. Сигнал с датчика давления для смеси с содержанием водорода 78% bar

0.0   0.5   1.0   1.5   2.0   2.5   3.0   3.5

Рис. 8. Сигнал с датчика давления для смеси с содержанием водорода 79%

3.    Заключение

При экспериментальном исследовании процессов горения богатых водородновоздушных смесей в диапазоне концентрацией водорода от 77% до 78% обнаружен эффект существования двух максимумов давления, разнесенных по времени. Такой результат можно рассматривать как экспериментальное подтверждение теоретической модели разветвленно-цепного горения, поскольку он хорошо с ней согласуется.