Диссертация (1172857), страница 19
Текст из файла (страница 19)
Для сравнения представлена криваяфлегматизации для случая, когда фторированным агентом является трифторметанCHF3.Рисунок 4.9 - Концентрационные пределы распространения пламени в смесяхметан – закись азота – фторированный углеводород: 1 –- C4F10, 2 – C2HF5,3 – CHF3. Cф - содержание флегматизатора. Данные для CHF3 взяты из раздела 4.2.Видно, что все рассмотренные флегматизаторы достаточно слабо влияют нанижний концентрационный предел распространения пламени метана, верхний же135пределдостаточноравномерноснижаетсясувеличениемсодержанияфлегматизаторов Cф.При этом флегматизирующие концентрации ф0 оказываются довольновысокими и превышают соответствующие величины для смесей, в которыхокислителем является смесь азота и кислорода с содержанием O2 25 % (об.).Действительно, согласно данным главы 3 настоящей работы, величины ф0 в этомслучае составляют 21, 20 и 13 % (об.) для CHF3, C2HF5 и C4F10 соответственно, апри горении в закиси азота соответствующие значения ф0 равны 52, 46 и 30 %(об.)(рисунок4.9).Составысмесейисоответствующиеимзначениякоэффициента избытка горючего φ приведены в таблице 4.6.
Значения φ былирассчитаны по формуле:φ = (С0г /С0ок )/(Сг /Сок )стех,(4.1)где С0г , С0ок – значения концентраций горючего и окислителя в точкефлегматизации; (Сг /Сок )стех – отношение концентраций горючего и окислителя встехиометрической смеси. Для горения метана в закиси азота стехиометрическиесмеси отвечают реакции (4.I) при этом (Сг /Сок )стех = 0,25.Таблица 4.6 – Составы смесей CH4 – N2O – фторированный углеводород в точкахфлегматизацииКонцентрации компонентов, %(об.)ФлегматизаторТрифторметанCHF3ПентафторэтанC2HF5ТетрафторбутанC4F10КоэффициентизбыткаС0гС0фС0ок3,052,045,00,271,046,053,00,081,030,069,00,06горючего136Видно, что смесям в точках флегматизации отвечают очень бедные составыв отличие от случаев горения в азотокислородных окислительных средах, составыдля которых приведены в таблице 4.7.Таблица 4.7 – Составы смесей CH4 – (O2 – N2) – фторированный углеводород вточках флегматизацииКонцентрации компонентов, %(об.)ФлегматизаторТрифторметанCHF3ПентафторэтанC2HF5ТетрафторбутанC4F10КоэффициентизбыткаС0гС0фС0ок6,821,072,20,756,020,074,00,658,012,779,30,81горючегоОдним из возможных факторов, объясняющих данную закономерность,может быть экзотермический мономолекулярный распад закиси азота (реакция(4.II), за счет которого в бедных смесях может выделиться дополнительнаяэнергия.
Важная роль данной реакции для бедных смесей отмечена в работах [22,152] и разделе 4.2. Однако в работах [22, 152] найдено, что точкам флегматизацииазотом смесей н-бутана, циклогексана, п-ксилола и оксида углерода отвечаютсоставы, близкие к стехиометрическим. В связи с этим может быть даноследующее качественное объяснение аномально низких значений φ для точекфлегматизации фторированными углеводородами. Как известно [14, 109],фторированные углеводороды могут проявлять при горении бедных смесейсвойства дополнительного горючего.
В этом случае могут наблюдаться низкиезначения коэффициента избытка горючего φ, если эта величина рассчитываетсябез учета химических превращений фторированных углеводородов во фронтепламени.Среди изученных фторированных углеводородов наиболее эффективным сточки зрения снижения флегматизирующей концентрации оказывается C4F10(рисунок 4.9). Качественно аналогичный результат был получен в рамках137настоящей работы для горения метана и водорода в азотокислородныхокислительных средах с содержанием O2 15, 20,6 и 25 % (об.).
Данный эффектможет быть объяснен на основе представлений о химическом механизме влиянияфторированных углеводородов на процессы горения [140, 142]. В указанныхработахбылоотмечено,чтопроцессыдеструкциифторзамещенныхуглеводородов в пламени в значительной степени сходны. Основные особенностихимического механизма влияния указанных флегматизаторов на пламенапредставлены выше в главе 3 настоящей работы.Из анализа вышеперечисленных особенностей следует, что чем крупнеемолекула фторированного углеводорода, тем больше образуется промежуточныхпродуктов его деструкции и тем больше количество реакционных актов привзаимодействии с радикалами H, O и OH имеет место.Поскольку при таком взаимодействии происходит обрыв реакционныхцепей, то чем крупнее молекула фторированного углеводорода, тем болееэффективнымфлегматизаторомявляетсяданныйагент.Этотвыводподтверждается полученными в настоящей работе экспериментальными данными.На рисунках 4.10 – 4.12 представлены зависимости максимального давлениявзрыва ΔPmax, максимальной скорости нарастания давления взрыва (dP/dt)max инормальной скорости горения Su для околопредельных смесей CH4 – N2O –фторированный углеводород (C2HF5, C4F10) от концентрации флегматизатора.Для зависимостей ΔPmax и (dP/dt)max характерны локальные максимумы, какэто было ранее обнаружено для смесей CH4 – N2O – CHF3 (раздел 4.2) и CH4 – (O2– N2) – фторированные углеводороды (CHF3, C2HF5, C4F10) (глава 3), т.е.
имеетместо промотирование горения смесей метана с закисью азота фторированнымиуглеводородамивопределенномдиапазонеконцентрацийданныхфлегматизаторов. Качественно возможные причины промотирования горенияоколопредельных смесей фторированными углеводородами проанализированы вразделе 4.2 и главе 3 настоящей работы.138а)б)Рисунок 4.10 – Зависимость максимального давления взрыва ΔPmax от содержанияC2HF5 (а) и C4F10 (б) в околопредельных смесях для нижней (1) и верхней (2)ветвей кривых флегматизации139а)б)Рисунок 4.11 – Зависимость максимальной скорости нарастания давления взрыва(dP/dt)max от содержания C2HF5 (а) и C4F10 (б) в околопредельных смесях дляверхней (1) и нижней (2) ветвей кривых флегматизации140а)б)Рисунок 4.12 – Зависимость нормальной скорости горения Su от содержанияC2HF5 (а) и C4F10 (б) в околопредельных смесях для верхней (1) и нижней (2)ветвей кривых флегматизации141Выводы к разделу 4.3.1) Выполнено экспериментальное исследование влияния пентафторэтана иперфторбутана на концентрационные пределы распространения пламени и другиехарактеристики горения (максимальное давление взрыва ΔPmax, максимальнаяскорость нарастания давления взрыва (dP/dt)max, нормальная скорость горения Su)околопредельных смесей метан – закись азота.2) Найдено, что концентрационные области распространения пламени всмесях CH4 – N2O – фторированный углеводород (C2HF5, C4F10) оказываютсязаметно шире, чем в смесях CH4 – (O2 – N2) – фторированный углеводород ссодержанием O2 в азотокислородной окислительной среде до 2 5% (об.).3) С увеличением молекулы фторированного углеводорода в ряду CHF3 –C2HF5 – C4F10 минимальная флегматизирующая концентрация уменьшается.4) Обнаружено промотирующее влияние фторированных углеводородов нагорение околопредельных смесей, проявляющееся в росте ΔPmax, (dP/dt)max, Su сувеличением содержания CHF3, C2HF5 или C4F10 в смеси в определенномдиапазоне концентраций фторированных углеводородов.5) Представлена качественная интерпретация полученных результатов.4.4 Определение характеристик горения смесей H2 – N2O – флегматизаторНа рисунке 4.13 представлены результаты экспериментального определенияконцентрационных пределов распространения пламени в смесях водород – закисьазота – фторированный углеводород.Видно, что величина верхнего концентрационного предела распространенияпламени (ВКПР) в смеси H2 – N2O весьма высока и составляет около 85 % (об.),142что выше, чем в воздухе и окислительной среде в виде смеси N2 – O2 ссодержанием кислорода до 25 % (об.) (рисунок 4.14).Рисунок 4.13 – Концентрационные пределы распространения пламени в смесяхводород – закись азота – фторированный углеводород: 1 – C4F10; 2 – C2HF5;3 –CHF3.
Сф - концентрация флегматизатораРисунок 4.14 – Концентрационные пределы распространения пламени в смесяхH2 – (O2 – N2) – фторированный углеводород при содержании кислорода вазотокислородной смеси 25 % (об.): 1 – C4F10; 2 – C2HF5; 3 – CHF3143Величина нижнего концентрационного предела распространения пламени(НКПР) составляет около 8 % (об.), что близко к соответствующим значениямНКПР для горения в азотокислородных окислительных средах с содержанием O2от 15 до 25 % (об.) (рисунок 4.14).Превышение величиной НКПР стандартного значения 4 % (об.) [147]обусловлено пузырьковым характером распространения пламени в бедныхводородсодержащих смесях. С увеличением содержания флегматизаторовпроисходит снижение как верхнего, так и нижнего концентрационных пределовраспространения пламени. Снижение ВКПР характерно для случаев введения вгорючую смесь флегматизаторов различной химической природы.
Однакосущественное снижение НКПР с 8 до 1 % (об.) с увеличением содержаниярассмотренных фторированных углеводородов является новым эффектом,аналогом которого является снижение НКПР пропана и изобутана при горении взакиси азота с ростом содержания 1,2-дибромтетрафторэтана C2F4Br2 [21].Флегматизирующие концентрации CHF3, C2HF5, C4F10 оказываются также заметновыше соответствующих значений для случая горения в окислительной среде ввиде смеси N2 – O2 с концентрацией кислорода 25 % (об.), что следует изсравнения кривых на рисунках 4.13 и 4.14.В таблице 4.8 представлены данные по составам смесей H2 – N2O –фторированный углеводород в точках флегматизации. Видно, что этим точкам,как и в случае горения метана, отвечают очень бедные составы по сравнению сослучаем горения в обогащенных кислородом азотокислородных окислительныхсредах (таблица 3.1).
Причина указанных выше эффектов заключается ввозможности распространения пламени в смесях N2O – фторированныйуглеводородприводородсодержащихосуществляетсяналичиивдобавок.за счетэтихсмесяхнебольшихТепловыделениеэкзотермическихвреакций(~1указанных(4.XII)–%(об.))пламенах(4.XIV), аводородсодержащие добавки требуются для реализации реакций (4.IV) – (4.VIII),среди которых в процессе (4.VII) происходит разветвление реакционных цепей.144Ситуация здесь качественно аналогична распространению пламени в смесяхCO – воздух, которое, как известно [187, 196], невозможно без наличиянебольших количеств водородсодержащих добавок, без которых невозможноразветвление реакционных цепей.
При этом эффект промотирования наблюдаетсядля бедных смесей, близких по составу к нижнепредельным.На рисунках 4.15, 4.16 представлены зависимости максимального давлениявзрыва ΔPmax и максимальной скорости нарастания давления взрыва (dP/dt)max дляоколопредельных смесей от содержания фторированных углеводородов. Дляудобства сравнения экспериментальных данных по оси абсцисс приведенызначения относительной концентрации фторированного углеводорода Crel,представляющейсобойотношениесоответствующейфлегматизирующейдействительнойконцентрации.концентрацииРассмотреныксмеси,отвечающие верхним ветвям кривых флегматизации, в силу того, что для бедныхсмесей,отвечающихнижнимветвям,характеренпузырьковыйрежимраспространения пламени, и значения ΔPmax и (dP/dt)max не в полной мерехарактеризуют динамику сгорания газовой смеси.Таблица 4.8 – Составы смесей H2 – N2O – фторированный углеводород в точкахфлегматизацииФлегматизаторКонцентрации компонентов, %(об.)КоэффициентС0физбыткаС0гС0окгорючегоТрифторметанCHF3ПентафторэтанC2HF5ТетрафторбутанC4F101,053,046,00,022,046,052,00,043,031,066,00,045145Рисунок 4.15 – Зависимость максимального давления взрыва ΔPmax дляоколопредельных смесей H2 – N2O – фторированный углеводород, отвечающихверхним ветвям кривых флегматизации, от относительного содержанияфлегматизаторов Crel.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
