Главная – Журналы – Физика горения и взрыва 2022 номер 4

Исследованы макрокинетические закономерности горения и кинетики термического разложения энергетических конденсированных композиций, содержащих высокоэнтальпийные полиазотистые соединения на основе системы фуразановых, фуроксановых и азепинового циклов и поли-2-метил-5-винилтетразола в качестве активного связующего. В интервале давлений азота 1 ÷ 6 МПа определены линейные скорости высокотемпературных превращений (горения) составов с разным соотношением компонентов. Обнаружено, что скорость горения композиций из полициклических соединений и поли-2-метил-5-винилтетразола превышает скорость горения отдельных компонентов, причем синергетический эффект повышается с понижением давления азота в системе. Кинетические исследования тепловыделения при термическом разложении энергетических композиций в интервале температур 50 ÷ 350 °С в изотермических и неизотермических условиях показали, что в прессованных составах имеет место взаимодействие реагентов, приводящее к значительному росту скорости термического распада смеси относительно скорости разложения отдельных компонентов. Полученные данные свидетельствуют о том, что одной из причин роста скорости горения при смешении компонентов может быть смена ведущей реакции горения в результате химического взаимодействия компонентов бинарного состава.

При горении высокоэнергетических конденсированных систем возможно образование промежуточной структуры - каркасного слоя, который оказывает существенное влияние на процесс горения. Проведено экспериментальное исследование влияния отверждения связующего на формирование данной структуры. Показано, что закономерности формирования каркасного слоя при отверждении связующего в существенной мере зависят от структуры полимера. Определена своеобразная роль вещества, выполняющего функции отвердителя. Представлены основы моделирования явлений в поверхностном слое при наличии и отсутствии каркасного слоя. Показана возможность прогнозирования ряда характеристик процесса горения.

Проведен анализ распределения соединений плутония и америция в продуктах сгорания радиоактивного графита в водяном паре или воздухе. Исследование выполнялось методом термодинамического анализа с помощью программного комплекса TERRA в интервале температур 400 ÷ 3 200 К. Установлено, что в водяном паре при температуре выше 900 K весь углерод переходит в газ, в воздухе температура его перехода составляет 1 000 K. Превращение конденсированных соединений плутония в парообразные происходит в водяном паре при температуре выше 1 800 K, а в воздухе - при 1 700 K. Конденсированные соединения америция начинают переходить в парообразное состояние при температуре выше 2 000 K, в воздухе температура их перехода равна 2 200 K.

Порошки различных металлов и бора широко используются в смесевых топливных композициях для повышения температуры горения и удельного импульса ракетных двигателей. В статье представлены результаты экспериментального исследования окисления и воспламенения в воздухе ультрадисперсных порошков алюминия Alex, аморфного бора и микроразмерных порошков алюминия μAl, боридов алюминия AlB₂ и AlB₁₂. Нагрев и воспламенение порошков металла и бора осуществляли СО₂-лазером непрерывного действия в диапазоне плотности теплового потока 65 ÷ 190 Вт/см². На основе данных термического анализа установлено, что параметры реакционной способности порошков располагаются в следующей последовательности (по убыванию активности): Alex → B → AlB₁₂ → AlB₂ → μAl. При окислении аморфного бора и додекаборида алюминия AlB₁₂ суммарное удельное тепловыделение и скорость изменения массы имеют максимальные значения. Порошки Alex, бора и AlB₁₂ легче воспламеняются на воздухе при действии внешнего лучистого источника. Степенной показатель n в зависимости времени задержки воспламенения t_ign от плотности теплового потока t_ign ( q ) = Aq ^{- n} для порошков μAl, AlB₂ и AlB₁₂ примерно одинаков и равен ≈2.0, для ультрадисперсных порошков Alex и бора он ниже и составляет n = 1.5 и 1.0 соответственно.

Экспериментально изучено влияние добавок фурана (С₄Н₄О) и тетрагидрофурана (С₄Н₈О) в смеси этилена (С₂Н₄) с аргоном на сажеобразование при пиролизе за отраженными ударными волнами в диапазоне давлений p ₅ = 2.1 ÷ 4.4 атм и температур T ₅ = 1 600 ÷ 2 580 K. Методами лазерной экстинкции и лазерно-индуцированной инкандесценции получены температурные зависимости объемной доли конденсированной фазы и размеров образующихся углеродных наночастиц в исследованных смесях. Установлено, что добавление данных фуранов приводит к увеличению объемной доли сажи, а также к расширению температурного диапазона ее формирования. Эффект от фурана оказался более выраженным, нежели от тетрагидрофурана. Кинетическое моделирование процессов пиролиза этилена с выбранными добавками показало, что в присутствии С₄Н₄О и С₄Н₈О образуются альтернативные пути наработки пропаргила С₃Н₃, что является причиной увеличения сажеобразования.

Содержание метана в газовом гидрате составляет около 12 % (мас.). Теоретическая температура горения такого состава довольно низкая. Однако измерения показывают, что при подходящей организации процесса можно достичь намного большей температуры пламени. Для этого необходимо разделить область диссоциации и область горения (т. е. исключить нагрев воды). С другой стороны, для того чтобы горение было устойчивым, часть теплоты сгорания следует возвратить в область гидрата для поддержания скорости диссоциации на нужном уровне. Устойчивость горения гидрата метана естественным образом определяется соотношением тепловыделения и теплопередачи. В настоящей работе описываются эксперименты по горению метана над слоем диссоциирующего газового гидрата, а также предложена простая математическая модель для оценки устойчивости диффузионного горения. Сравнение результатов моделирования с экспериментальными данными позволяет определить концентрацию водяного пара и составить тепловые балансы горения гидрата.

Численно изучается горение этилена и керосина при числе Маха потока М ≤ 2. Для воспламенения подаваемого через осевой инжектор топлива и поддержки его горения применяется дросселирование потока с помощью боковой струи сжатого воздуха. Решаются осредненные по Рейнольдсу уравнения Навье - Стокса, замыкаемые k -ε-моделью турбулентности. Горение топлива моделировалось одной реакцией. Исследована возможность формирования околозвукового течения. При числе Маха M = 1.7 и температуре торможения 1 400 и 1 500 K изучена газодинамическая структура потока в канале при горении керосина. Расчеты выполнены при различных значениях ограничителя производства турбулентной кинетической энергии.

На примере дизельного топлива исследованы характеристики сжигания жидких углеводородов в присутствии смеси перегретого водяного пара с газом-разбавителем в горелочном устройстве испарительного типа. В качестве газа-разбавителя использовался углекислый газ. В ходе экспериментов найдены режимы подачи перегретого водяного пара или вместо него углекислого газа, а также их смеси в различных пропорциях, обеспечивающие схожий профиль средней температуры в пламени, значений тепловой мощности и коэффициента избытка воздуха. Показано, что при сжигании топлива в присутствии перегретого водяного пара, углекислого газа и их смеси достигаются низкие концентрации CO и NO _x в продуктах сгорания. При подаче CO₂ эти значения находятся на границе допустимых концентраций для 3 класса по нормативу EN:267. В случае же подачи только перегретого водяного пара наблюдается более низкое содержание оксидов азота в уходящих газах по сравнению с углекислым газом: снижение концентрации NO _x достигает 15 %.

На основе макрокинетики предложена математическая модель для численного моделирования периода самовоспламенения топлива в локальном объеме водородного дизеля с аппаратурой высокого давления впрыска топлива. На основе выбранного детального кинетического механизма окисления водорода с помощью специального пакета программ проведено моделирование процесса самовоспламенения водорода в гомогенных химических реакторах для условий работы реального водородного дизеля в момент начала впрыска газообразного водорода. Результаты этих расчетов для реакторов постоянного объема и постоянного давления были использованы для получения уравнения макрокинетики окисления водорода при высоких давлениях. На основе этого уравнения численными методами рассмотрены различные варианты работы водородного дизеля с подогревом воздуха и водорода. Указаны пути снижения периода индукции и повышения надежности работы двигателя.

Экспериментально исследованы детонационные волны в газовых двухтопливных системах CH₄/H₂/O₂ и гетерогенных трехтопливных системах CH₄/H₂/O₂/угольная взвесь. В опытах использовали взвеси угля с размерами частиц 0 < d ≤ 200 мкм со среднеобъемной плотностью 160 ÷ 400 г/м³. В исследованных системах измерены скорости по длине трубы и профили давления в падающих детонационных и отраженных волнах. Проведен анализ влияния горючих компонентов на параметры волн. Выполнено сравнение экспериментальных параметров детонации с расчетными термодинамическими равновесными параметрами детонации.

Представлены результаты комплексной оценки характеристик сжигания топлив на основе угольного шлама с добавкой (5 % мас.) отработанного турбинного масла и древесной биомассы с применением метода многофакторного (мультикритериального) анализа. Использовались результаты экспериментальных исследований процессов зажигания и горения топлив, данные о теплотворной способности, зольности, стоимости, составе дымовых газов. Смеси сжигались в виде таблеток, слоя и капель водной суспензии. Отмечено положительное влияние использования добавок на показатели энергетической, экологической и комплексной эффективности сжигания угольного шлама. Группа топлив, сжигаемых в виде таблеток, характеризуется минимальными показателями энергетической, экологической и комплексной эффективности. Наибольший экологический потенциал обнаружен у топлив, сжигаемых в виде капель водных суспензий. Результаты исследования подтверждают перспективы энергетической утилизации широкого спектра отходов угольного, нефтяного и растительного происхождения в составе смесевых топлив.

Приведены результаты расчетно-экспериментального исследования электроплазменной газификации техногенных углеродсодержащих отходов с целью получения высококалорийного синтез-газа (Н₂ + СО) для энергогенерирующих устройств. Экспериментально определен состав синтез-газа, получаемого в процессе газификации органических отходов. Исследовано изменение состава и калорийности синтез-газа в зависимости от времени газификации органических материалов. Показано изменение калорийности синтез-газа в процессе газификации отходов.

Рассмотрены технологические подходы к снижению эмиссии углекислого газа при производстве энергии. Выделены три уровня генерации углекислого газа топливными энергоустановками. Проведен анализ топливных энергоустановок по параметрам, наиболее чувствительным в технологиях улавливания и утилизации техногенного диоксида углерода (carbon capture, utilization and storage): давлению, чистоте и количеству генерируемого углекислого газа. Ранжирование выходных параметров углекислого газа позволяет разделить энергоустановки на три группы: A, B, C. На основании разработанного метода скрининг-анализа в рамках системы оценки жизненного цикла Life cycle analysis рассмотрены интегральные характеристики основных технологий утилизации выбросов CO₂ от энергетических производств в зависимости от уровня технологической зрелости и рыночной привлекательности. Выделены перспективные для российского промышленно-энергетического комплекса группы геологической утилизации, минерализации, карбонизации и биоутилизации.