Учреждение Российской академии наук Институт структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН ИСМАН Разработка научных основ и эффективных методов управления горением, взрывом и детонацией газов В.В. Азатян Тепловое воспламенение ИСМАН q+, qq+ A+ BP q- q+ > q dq+/dT > dq-/dT W/[A][B]=k= koexp (-E/RT) Tk T Цепное воспламенение y+B 3 (x + A) 1 3x 3 3 (P + y) 9 … W = kb[B]n dn/dt = w0 + 2kb[B]n – gn = w0 + (f – g)n f > g, d2W/dt2 > 0; горение Полуостров воспламенения смеси 2H2 + O2 B. Lewis, G. Von Elbe P, Torr 800 1 atm 600 3 400 2 200 1 0 400 440 480 520 560 1, 2, 3 – пределы воспламенения T,C Отрицание роли цепной лавины (примеры) Н.Н. Семенов “О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности” “Прекрасное согласие между расчетом и опытом не оставляет сомнения в том, что третий предел воспламенения смесей водорода с кислородом имеет тепловую природу”. Б. Льюис, Г. Эльбе. “Горение, взрывы и пламя в газах” “В так называемых горячих пламенах, с которыми обычно приходится иметь дело на практике, самоускорение происходит тепловым, а не цепным путем”. Примеры фундаментальных закономерностей не объяснимых теорией теплового горения Все характеристики горючести водорода намного превышают аналогичные характеристики углеводородов, не смотря на то, что мольная теплота сгорания водорода значительно меньше. Аналогичные противоречия наблюдаются при сравнении горючести других классов соединений. Воспламенение и горение H2 и CH4 в воздухе, например, при 900К. Реакции этих молекул с О2 настолько медленны (энергия активации > 220 кДж/моль), что характеристическое время тепловыделения на три порядка больше времени теплоотвода. Поэтому молекулярные реакции не могут обеспечить сколько ни будь заметный саморазогрев и тем более тепловой взрыв. Сильное влияние малых примесей многих соединений на воспламенение водорода при атмосферном давлении. Температурная зависимость скорости W = kb[B]n dn/dt = w0 + 2kb[B]n – gn =w0 + (f – g)n f > g, d2W/dt2 > 0; горение t W/[B] n0 = exp t {2k 0[O ] 2 b o exp (- Eb/RT) – g} dt Полуострова воспламенения смеси H2 с воздухом [H 2], % 80 - взрыв AKM-3 60 - горение HALON 114B2 40 20 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 weight, % Механизм ингибирования HCH2 – CH – CH3 HCH2 – CH2 – CH2 H + CH3 - CH=CH2 CH3 – CH – CH3 + O2 CH3 – CH – CH3 O-O CH3 – CH=CH2 +HO2 HCH2 – CH – CH3 O-O HO2 + поверхность обрыв HO2 + O OH + O2 HO2 + OH HO2 + HO2 H2O2 + H H2O + O2 H2O2 + O2 HO2 + H2 H2O2 + O HO2 + OH Ингибирование горения и взрыва 12 8 P max (B) 3 1 a1 a2 4 b1 b2 0 1 2 2 3 4 5 6 [Ar], [In],% (vol) 7 Зависимость макрокинетики горения от химических свойств примеси Предотвращение перехода дефлаграции в детонацию H2, vol. % 70 HYDROGEN -detonation -deflagration 60 INHIBITOR 4.0 1.0 1.0 1.0 50 40 30 1 2 3 4 5 6 7 1- preheater; 2 - hydrogen mixer; 3 - inhibitor mixer; 4 - stabilizer; 5 - igniter; 6 - pressure transducer; 7 - chamber. 20 10 0 1 2 3 In, vol. % Установка с ударной трубой Разветвленно-цепной характер горения Управление развитием детонации Реактор для исследования кумуляции взрывной волны в6 в5 в4 в3 в2 в1 г 54 a 60 д 60 б Управление взрывом в кумуляции Стенд исследования детонации x-t диаграмма детонации 0,338H2 + 0,662 воздух 16 14 12 X, м 10 1 2 3 4 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 t, мс 5 6 7 8 __ Vd 2( 1) Q 2 Разрушение детонационной волны ингибитором x изобутен + (1- x)(0.338H2 + 0.662 воздух) 16 16 14 14 2 1 12 1 3 12 3 10 10 8 8 x, м x, м 2 6 6 1 - 0% In – фронт пламени 2 - 2,0% In - фронт пламени 3 - 2,2% In - фронт пламени 4 2 0 1 - 0% In – ударная волна 2 - 2,0% In - ударная волна 3 - 2,2% In - ударная волна 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 t, мс 8 9 10 11 12 13 0 1 2 3 4 5 6 7 t, мс 8 9 10 11 12 13 Зависимость от изомерной структуры ингибитора Разрушение детонации в смеси синтез газа с воздухом х, м 1 14 3 2 12 4 10 8 6 4 2 0 0 2 4 6 8 10 12 t, мс Предотвращение детонации при 600кПа 1,4 1,2 давление 1,0 0,8 mV 0,6 0,4 0,2 свечение 0,0 -0,2 -0,4 0,000 0,002 0,004 t, ms 0,35 давление 0,30 0,25 mV 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 свечение (отсутствует) -0,05 -0,10 0,050 0,055 0,060 0,065 t, ms 0,070 0,075 0,080 Использование водорода в качестве горючего P fr N L S M 0 K F fL f In R Южно-Украинская АЭС (ЮУ АЭС) ЮУ АЭС в течение года генерирует 17-18 млрд кВтч электрической энергии, которая составляет свыше 10% производства электроэнергии в Украине и около четверти его производства на украинских атомных электростанциях. Возможное применение Газопроводы Угольные шахты Бытовые и жилые помещения