CC BY
6
УДК 662.754.1:544.452.1 Ильина М.А., Яновский Л.С.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРИОДА ИНДУКЦИИ ВОСПЛАМЕНЕНИЯ В ВОЗДУХЕ ЭНЕРГОЕМКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ НА УДАРНОЙ ТРУБЕ
Ильина Марина Анатольевна, инженер, e-mail: [email protected];
Яновский Леонид Самойлович, д.т.н., профессор, заведующий отделом ФИЦ ПХФ и МХ; Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии РАН, 142432, Россия, Московская область, г. Черноголовка, проспект ак. Семенова, 1.
Показано, что период индукции воспламенения смесей паров структурно-напряженных углеводоров и н-алканов с воздухом снижается с повышением температуры и коэффициента избытка воздуха. Период индукции воспламенения смесей паров н-алканов С9-С11 с воздухом снижается от н-нонана к н-ундекану.
Ключевые слова: углеводород, период индукции воспламенения, структурно-напряженные углеводороды, топливовоздушные смеси, падающая ударная волна.
INVESTIGATION OF THE IGNITION INDUCTION PERIOD IN THE AIR OF ENERGY-INTENSIVE HYDROCARBONS ON A SHOCK TUBE
Ilyina M.A., Yanovsky L.S.
Federal Research Center for Problems of Chemical Physics and Medical Chemistry of the Russian Academy of Sciences, Chernogolovka, Moscow Region, Russia.
It is shown that the period of induction of ignition of vapor mixtures of structurally stressed carbohydrates and n-alkanes with air decreases with increasing temperature and air excess coefficient. The period of induction of ignition of mixtures of vapors of n-alkanes C9-C11 with air decreases from n-nonane to n-undecane.
Keywords: hydrocarbon, ignition induction period, structurally stressed hydrocarbons, fuel-air mixtures, incident shock wave.
В последние десятилетия ведутся активные поиски в обеспечение создания альтернативных горючих [1,2].
Эти горючие должны обладать высокими энергетическими характеристиками, плотностью, а также низкой температурой плавления и малой вязкостью при низких температурах [3].
Перспективными компонентами таких горючих могут быть структурно-напряженные углеводороды (СНУ) ввиду их повышенных энергетических характеристик при сопоставимом уровне низкотемпературной вязкости и температуры застывания по сравнению с углеводородами без структурной напряженности [3]. Также большой интерес представляют метановодородные смеси, как экономически выгодное и экологически чистое топливо [4].
В условиях малого времени пребывания топливовоздушной смеси (ТВС) в камере сгорания сведения о периоде индукции воспламенения (ПИВ) топливовоздушной смеси становятся особенно актуальными и, возможно, решающими при выборе горючего [5, 6].
Таблица 1 - Значения некоторых физико-химических свойств СНУ
ПИВ характеризует время от нагрева паров топливовоздушной смеси до начала химической реакции. Эти данные необходимы при выборе топлив в обеспечение повышения полноты сгорания топлива, а также оценке пожаровзрывобезопасности топлив.
ПИВ топливовоздушных смесей может быть определен в широком диапазоне температур и давлений с помощью ударных труб [7].
Исследовались смеси паров СНУ с брутто-формулами С9Н12 (ЦП-С9), С10Н12 (ЦП-С10), С11Н14 (ЦП-С11) и С14Н16 (ЦП-С14), н-алканов С9Н20 (Н-С9), С10Н22 (Н-С10) и С11Н24 (Н-С11), а также смеси метана с водородом в соотношениях 10/90, 50/50 и 90/10 с воздухом. Коэффициент избытка воздуха смесей паров жидких компонентов составлял 0,8, 1 и 2 от стехиометрического, смесей метана и водорода - 1 от стехиометрического.
СНУ представляют собой полициклические насыщенные углеводороды различного строения. Их некоторые физико-химические свойства приведены в таблице 1.
Брутто-формула Кинематическая вязкость, мм2/с Плотность при 20 °С, кг/дм3 Низшая -АЯ°о, кДж/дм3 AH°f, кДж/моль
20 °С минус 50 °С
С9Н12 1,6 9,6 0,919 39136 227
С10Н12 - 36 1,036 43472 339
С11Н16 3,4 34,9 0,953 40435 90
С14Н16 23,2 3960 1095 45200 227
Исследования ПИВ углеводородов проводились на ударной трубе «УТ-1» ФИЦ ПХФ И МХ РАН. Схема установки приведена на рисунке 1.
..' : Г
9
и
4
Рисунок 1 -Установка «УТ- 1» 1 - камера высокого давления, 2 - канал низкого давления, 3 - смеситель, 4 - вакуумный насос, 5 -пьезоэлектрические датчики и фотоэлектронный умножитель, 6 - баллон с газом-толкателем, 7 - сосуд с жидким углеводородом, 8 - воздушный фильтр, 9 -манометр, 10 - обогреваемый контур
Установка «УТ-1» состоит из канала низкого давления (длина 4,5 м, диаметр 76 мм), камеры высокого давления, смесителя и дополнительных систем, обеспечивающих подготовку испытуемой смеси и фиксацию измерений.
В торцевой части КНД располагалась измерительная секция (ИС) 5 длиной 1 м с пьезоэлектрическими датчиками и фотоэлектронным умножителем ФЭУ-79 и фильтром УФС-5 с диапазоном пропускания 240-400 нм для регистрации
излучения радикалов ОН в области 306 нм. Датчики фиксировали скорость ударной волны D и время задержки воспламенения топливовоздушной смеси смеси tc.
Параметры газовой смеси за фронтом УВ численно рассчитывались с помощью известных соотношений по измеренной скорости УВ [8, 9, 10].
Для оценки достоверности результатов определения ПИВ на установке «УТ-1» была проведена верификация данных авторов по ПИВ с литературными данными [2] для метановоздушной смеси (таблица 2).
В таблице 2 величины pi - давление перед фронтом падающей ударной волны (ПУВ), ps -давление за фронтом ОУВ, Ts - температура за фронтом ОУВ, tc - собственное время задержки воспламенения, численно равное ПИВ.
Отличия полученных данных от опубликованных [2] может быть объяснено отличиями в методике измерения задержки воспламенения. Полученные данные по ПИВ измерялись по регистрации OH-радикала, а авторы [2] определяли ПИВ по моменту наибольшего нарастания давления (максимума dp/dt).
Исследования ПИВ СНУ проводились в падающей ударной волне (ПУВ) для обеспечения большей однородности исследуемой газовой смеси и достоверности результатов за счет большей точности расчета параметров за фронтом ПУВ и исключения влияния неблагоприятных факторов в сравнении с исследованиями в ОУВ [6].
Результаты определения ПИВ СНУ, н-алканов и метановодородных смесей приведены на рисунках 2 и 3.
Таблица 2 - Результаты исследования ПИВ метано-воздушной смеси в ОУВ
Результаты авторов Опубликованные данные
pi, Торр D, км/с Р5, бар Ts, К tc, мкс tc*, мкс Ts*, К ps*, бар толк.
200 1,03 13,4 1170 726 1428 1181 14,1 Не
205 1,03 13,7 1170 1002 1428 1181 14,1 Не
248 1,09 19,3 1271 448 624 1250 20,9 Н2
248 1,06 17,8 1221 448 1056 1226 17,0 Н2
Рисунок 2 - ПИВ СНУ при КИВ=2, 1 и 0,8 в координатах lm-1000/T
Рисунок 3 - ПИВ метановодородных смесей при КИВ=1 в координатах lm-1000/T
Результаты исследований ПИВ СНУ и н-алканов на ударной трубе «УТ-1» показали следующее. ПИВ СНУ и н-алканов экспоненциально снижается с повышением температуры. ПИВ СНУ и н-алканов снижается при увеличении КИВ.
ПИВ н-алканов снижается с увеличением числа атомов углерода в молекуле. Связь ПИВ с числом атомов углерода в молекулах СНУ не установлена.
Повышение содержания водорода до 10% в метановодородной смеси снижает её ПИВ на 25 %.
Рисунок 4 - Сравнение ПИВ СНУ и н-алканов с одинаковым числом атомов углерода в молекуле при КИВ=1 в
координатах lm-1000/T
Вероятно, это связано со структурными различиями СНУ. Зависимость ПИВ СНУ от величин стандартной энтальпии образования также не установлена.
Выводы
Результаты исследования ПИВ СНУ на ударной трубе «УТ-1» в ИПХФ РАН показали следующее.
ПИВ смесей паров СНУ и н-алканов с воздухом снижается с повышением температуры и КИВ. ПИВ смесей паров н-алканов С9-Сп с воздухом снижается от н-нонана к н-ундекану.
ПИВ смеси паров н-алканов с воздухом выше ПИВ воздушных смесей паров СНУ с тем же числом атомов углерода в молекуле.
ПИВ смеси паров двух СНУ ЦП-С9 и ЦП-С11 с воздухом сопоставим с ПИВ смеси паров СНУ ЦП-С9 с воздухом.
Добавка 10 % водорода к метану снижает ПИВ смеси на 25 %. Увеличение содержания водорода в метановоздушной смеси понижает её ПИВ.
Исследования проведены в рамках госзадания № АААА-А19-119120690042-9.
Список литературы 1. Бакулин В.Н., Дубовкин Н.Ф., Котова В.Н. Энергоёмкие горючие для авиационных и ракетных двигателей/ под ред. Л.С. Яновского - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 400 с.
2. Huang J., Hill P.G., Bushe W .K., Munshi S.R., // Combust. Flame. 2004. V. 136. P. 25.
3. Заманский В.М., Борисов А.А. // Механизм и промотирование самовоспламенения альтеративных горючих. Итоги науки и техники. Сер. кинетика и катализ. Механизм и промотирование самовоспламенения перспективных топлив. Т. 19. М.: ВИНИТИ, 1989.
4 Бакланов А.В. // Возможность использования метано-водородного топлива в конвертированных газотурбинных двигателях для энергетических установок //Сибирский аэрокосмический журнал, 2021, т. 22, №1, С. 82-93.
5. Власов П.А., Демиденко Т.С., Смирнов В.Н., Тереза А.М., Аткин Э.В. // Хим. физика. 2016. Т35. №11. С. 54.
6. Petersen E.L., Rohrig M., Davidson D.F., Hanson R.K., Bowman C.T // Twenty-Sixth Symp. (Int.) Combust./Combust. Inst. 1996. P. 799.
7. Дубовкин Н.Ф., Маланичева В.Г., Федоров Е.П. и др. Справочник. Физико-химические и эксплуатационные свойства реактивных топлив. 1985. - 240 с.
8. Лифшиц Е.М., Ландау Л.Д. Гидродинамика Теоретическая физика: т. VI, 3-е изд., перераб. -М.: Наука. Лл. ред. Физ-мат. Лит., 1986. - 736 с.9. Физико-химические свойства индивидуальных углеводородов под ред. Татевского В.М., М.: Гостоптехиздат, 1960. -412 с.
10. Гейдон А.Г., Герл И.Р. Ударная труба в химической физике высоких температур. Под ред. Лосева С.А. - Москва: Мир, 1966. - 428 с.
