CC BY
37
ПРИГЛАШЕНИЕ В НАУКУ (докторанты, адъюнкты, соискатели, студенты)
УДК 614.88; 001
В.Н. Саранцев
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ВЗРЫВО- И ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ
АВТОБУСОВ, РАБОТАЮЩИХ НА ВОДОРОДЕ
В работе рассмотрена проблема обеспечения взрывобезопасности при эксплуатации автобусов, работающих на водороде.
Ключевые слова: водородная энергетика, безопасность, общественный транспорт.
V. Sarantcev
METHOD AND MECHANISM PROVIDING NONEXPLOSIVENESS AND FIRE SAFETY
OF THE BUSES RUNNING ON HYDROGEN
The article views the topical issues in the sphere of nonexplosiveness of the buses running on hydrogen.
Keywords: hydrogen energetics, safety, public transport.
Одним из самых перспективных и эколого-экономичных видов топлива является водород. Создание «водородных» автомобилей с бортовой системой хранения водорода является одним из наиболее перспективных направлений развития и коммерциализации водородных технологий.
Водород - это лёгкий горючий газ без запаха. Из-за низкой молекулярной массы водород обладает самой большой звуковой скоростью и способностью к эффузии и легко просачивается через малейшие дефекты уплотнений. Многие металлы также не являются для него непреодолимой преградой. Некоторые металлы под действием водорода теряют свою структуру. Водород при смеси с воздухом образует взрывоопасную смесь - так называемый гремучий газ. Также водород пожароопасен.
При всём многообразии видов опасности при работе с водородом наиболее опасно его неконтролируемое воспламенение, для чего необходимо одновременное присутствие водорода, окислителя (например, воздуха) и источника воспламенения. В роли последнего может оказаться ряд обычных для производства и быта процессов - открытый огонь, нагревание поверхностей, трение, электростатические разряды, в том числе весьма слабые, даже не воспринимаемые органами чувств человека и т. д. Смеси водорода и окислителей горючи в широком диапазоне концентраций (от 4 до 75 объёмных процентов в воздухе), температур и давлений и особенно легко воспламеняемы стехиометрического состава (около 30 %), что определяет их повышенную опасность в замкнутом пространстве.
Горение водорода в замкнутом пространстве в большинстве случаев приводит к дефлагра-ции - взрывному режиму, характеризующемуся турбулентным распространением пламени с высокой скоростью, меньшей скорости звука в неохваченной горением среде, и существенным ростом давления после сгорания по сравнению с начальным для стехиометрической смеси.
При определённых условиях дефлаграция переходит в наиболее опасный взрывной режим -детонацию, когда ударный фронт, скорость распространения которого превышает скорость звука в
72 -
Научные и образовательные проблемы гражданской защиты - 2010'4
не охваченной горением среде, ведёт за собой зону самовоспламенения и последующего горения, а давление может увеличиться в несколько раз. Поражающее действие газового взрыва определяется амплитудой взрывной волны (которая в основном зависит от скорости взрывного превращения) и её импульсом (который зависит от уровня энергии взрыва). Следует здесь отметить, что по показателю давления взрыва (амплитуде волны) водород намного превосходит другие горючие газы, что делает его более опасным [1].
Одной из основных проблем, ограничивающих использование водорода в автобусах в качестве топлива, является его повышенная воспламеняемость и взрывоопасность. Использование водородного топлива в автобусах ставит задачу обеспечения взрывобезопасности водородных смесей. Защита от взрыва водорода идёт параллельно разработкам двигателей. В основном это связано с защитой от утечки водорода, нет защиты от того, если уже утечка произошла, и необходимо предотвратить возгорания.
Чл.-корр. РАН В.В. Азатяном предложены высокоэффективные средства защиты - ингибиторы, позволяющие управлять горением и взрывом водородо-воздушных смесей. В качестве эффективных ингибиторов применительно к горению смесей водорода в воздухе были предложены и испытаны олефиновые соединения.
Реакции проводили в герметичном цилиндрическом реакторе из нержавеющей стали диаметром 12,6 см и высотой 25,2 см (рис. 1).
Поджиг
Рис. 1. Схема экспериментальной установки для изучения замедления процессов горения и взрывов
Рабочие смеси составляли в самом реакторе по парциальным давлениям компонентов с погрешностью 0,4 % относительно концентраций Н2 и воздуха. Относительная же погрешность в оценке концентраций ингибиторов составляла 4 %, поскольку концентрации этих присадок малы. Компоненты напускались в откачанный реактор в следующей последовательности: малая добавка, водород, воздух. Начальные давление и температура смесей были равны 1,0 бар 293 К соответственно. Во всех экспериментах настоящей работы использовался электролитический водород (99,99 %). Чистота изобутена составляла 99 %. Зажигание смесей производили с помощью искры
между электродами, вмонтированными у нижнего конца реактора. Энергия инициирующего импульса составляла 3,6 Дж. Зажигание проводили спустя время после набора в реактор, необходимое для полного перемешивания компонентов (20 минут). С момента инициирования горения и до его завершения синхронно регистрировались давление и хемилюминесценция. После каждого опыта реактор откачивали до = 2 Па.
Были произведены опыты при содержании водорода в воздухе 33,5 % с добавлением ингибитора С4Н8 в количестве 1, 1,5, 2 % и без ингибитора (рис. 2). При добавлении к водородо-воздушной смеси ингибитора в количестве 2% возгорание не произошло.
-А- 33,5% Н2 + 1 % ьС4Н8 + воздух -■- 33,5% Н2 + 1,5% ьС4Н8 + воздух -•- 33,5% Н2 + воздух
Рис. 2. Интенсивность горения смеси 33,5^ в воздухе
Полученные данные показывают, что примеси олефинов в количествах даже долей процента предотвращают воспламенение водородо-воздушных смесей, приводят к увеличению необходимой энергии зажигания и тем самым сокращают число возможных источников неконтролируемого воспламенения. Минимальная энергия, необходимая для зажигания смеси, тем сильнее, чем больше концентрация примеси ингибитора. Под воздействием олефинов снижается верхний концентрационный предел распространения пламени, т. е. затрудняется воспламенение. Уменьшается также темп развития горения: в течение всего процесса кинетические кривые давления и хемилю-минесценции более пологие, чем в отсутствии добавок. При наличии олефинов горение прекращается раньше, чем в отсутствии ингибитора. Достаточная концентрация ингибитора - 2%. Для сравнения - инертного газа аргона требуется 80 %. Наличие 1 % ингибитора предотвращает переход горения во взрыв любых смесей водорода в воздухе.
Для заметного торможения процесса требуются такие малые количества этих веществ, при которых другие свойства реакционных смесей фактически не изменяются и не заслоняют эффект ингибирования как в режимах воспламенения и распространения пламени, так и в режиме детонации.
Ингибиторы коррозионно безопасны, не токсичны и недороги. Они успешно прошли тестовые испытания [3 - 6].
Способ и устройство обеспечения взрыво- и пожарной безопасности автобусов заключается в автоматическом обнаружении с помощью датчиков утечки водородо-воздушной смеси в салон автобуса и в распылении ингибитора, которое обеспечивается с помощью форсунок, расположенных вместе с датчиками в потолке передней, средней и задней части салона автобуса (рис. 3). В качестве ингибитора, который нейтрализует взрывоопасную водородо-воздушную смесь, образовавшуюся при утечке водорода, используется смесь алканов и алкенов с числом атомов углерода в молекуле от 1 до 8 [2].
Рис. 3. Схема установки форсунок и датчиков в салоне автобуса 1, 2, 3 - датчики и форсунки
При минимальных затратах системы обнаружения и подавления взрывоопасной смеси с использованием экологически приемлемого ингибитора, способ и устройство обеспечивает повышение безопасности для пассажиров автобусов в случае утечки водорода путём упреждающего применения ингибитора немедленно после регистрации, что даёт время для безопасной высадки пассажиров.
Литература
1. Гельфанд Б.Е., Сильников М.В. Газовые взрывы. СПб.: Астерион, 2007. - 238 с.
2. Азатян В.В., Козляков В.В., Саранцев В.Н. Способ и устройство для обнаружения и предотвращения взрыва в автобусах, работающих на водороде, заявка на изобретение № 2009111019 от 27.03.2009 г.
3. Азатян В.В., Вагнер Г. Г., Ведешкин Г.К. Влияние химически активных добавок на детонацию в смесях водорода с воздухом. Журнал физической химии. 2004. Т. 78. № 6. - С. 1036 - 1044.
4. Аветисян А.А., Азатян В.В., Калачев В.И., Масалова В.В., Пилоян А.А. Влияние молекулярного строения примесей олефинов на закономерности горения и взрыва водородо-воздушных смесей. Кинетика и катализ. 2007. Т. 48. № 1. - С. 12 - 21. (Азатян В.В., Калачёв В.И., Мержанов А.Г. Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН. Патент РФ. 1998.).
5. Азатян В.В., Козляков В.В. Новые подходы и решения водородной энергетики. Сб. науч. докладов III Международного совещания по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте. М.: ИМАШ РАН, 2002.- С. 18 - 22.
6. Азатян В.В. О теоретических основах химических методов управления горением и взрывом водо-родо-воздушных смесей. Сб. науч. докл. IV Международн. совещ. по проблемам энергоаккумулирования и экологии в машиностроении, энергетике и на транспорте. М.: ИМАШ РАН. 2004. - С. 11 - 28.
