Диссертация (1172857), страница 33

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 33)

В связи с этим представляет интерес исследованиевлиянияконцентрациихимическиактивныхдобавокназначенияТадоколопредельных смесей. Изучению этого вопроса на примере составов горючийгаз (водород, метан) – окислительная среда (смесь азота и кислорода) –фторированный агент посвящен настоящий раздел.2638.5.1 Методика исследованийРасчеты Тад проводили для смесей указанного выше вида, в которых вокислительных средах содержание кислорода составляло 15, 20,6 (воздух) и25 % (об.). В качестве фторированных агентов рассматривали трифторметанCHF3, пентафторэтан C2HF5, и перфторбутан C4F10. Для вычислений использовалиэкспериментальные данные по концентрационным пределам распространенияпламени из главы 3 настоящей работы. Термохимические расчеты проводили спомощью программного комплекса CHEMICAL WORKBENCH (версия 3.0),учитывая следующие продукты горения: H2, CH4, CHF3, C2HF5, C4F10, O2, N2,COF2, CF4, HF, H, OH, O, F и некоторые другие вещества, концентрации которыхв продуктах сгорания оказались очень низкими, и их учет (или неучет) несказывался существенным образом на результатах расчета адиабатическойтемпературы горения.

Вычисления проводили для постоянного давления.Необходимые мольные энтальпии образования исходных веществ и продуктовреакции брали из справочной литературы. Также проводили сравнениекачественного характера зависимостей расчетной адиабатической температурыТад = f([CHF3], [C2HF5], [C4F10]) и максимального давления взрыва ΔPmax =f([CHF3],[C2HF5],[C4F10]),определенногоэкспериментальнодляоколопредельных смесей в главе 3 настоящей работы.8.5.2 Результаты расчетов и их обсуждениеДля удобства представления результатов в графическом виде и ихдальнейшего анализа по оси абцисс откладывали не абсолютные концентрации264фторированных агентов Cф, а их относительные концентрации Crel, определяемыепо формуле Crel = Cф/Cф0, где Сф0 – флегматизирующие концентрации, найденныеэкспериментально в главе 3 настоящей работы.РезультатырасчетовзначенийТаддляфлегматизаторов представлены на рисунках 8.31 – 8.36.а)б)различныхгорючихи265в)Рисунок 8.31 – Зависимость адиабатической температуры горения Тад присгорании водорода от концентрации пентафторэтана [C2HF5] для содержаниякислорода в окислительной среде 25 а), 20,6 б) и 15 в) % (об.): 1 – нижняя ветвькривой флегматизации; 2 – верхняя ветвь кривой флегматизации.

Пунктиромпоказано изменение ΔPmax с [C2HF5]а)266б)в)Рисунок 8.32 – Зависимость адиабатической температуры горения Тад присгорании метана от концентрации пентафторэтана [C2HF5] для содержаниякислорода в окислительной среде 25 а), 20,6 б) и 15 в) % (об.): 1 – нижняя ветвькривой флегматизации; 2 – верхняя ветвь кривой флегматизации. Пунктиромпоказано изменение ΔPmax с [C2HF5]267а)б)268в)Рисунок 8.33 – Зависимость адиабатической температуры горения Тад присгорании водорода от концентрации трифторметана [CHF3] для содержаниякислорода в окислительной среде 25 а), 20,6 б) и 15 в) % (об.): 1 – нижняя ветвькривой флегматизации; 2 – верхняя ветвь кривой флегматизацииа)269б)в)Рисунок 8.34 – Зависимость адиабатической температуры горения Тад присгорании метана от концентрации трифторметана [CHF3] для содержаниякислорода в окислительной среде 25 а), 20,6 б) и 15 в) % (об.): 1 – нижняя ветвькривой флегматизации; 2 – верхняя ветвь кривой флегматизации270а)б)271в)Рисунок 8.35 – Зависимость адиабатической температуры горения Тад присгорании водорода от концентрации перфторбутана [С4F10] для содержаниякислорода в окислительной среде 25 а), 20,6 б) и 15 в) % (об.): 1 – нижняя ветвькривой флегматизации; 2 – верхняя ветвь кривой флегматизацииа)272б)в)Рисунок 8.36 – Зависимость адиабатической температуры горения Тад присгорании метана от концентрации перфторбутана [С4F10] для содержаниякислорода в окислительной среде 25 а), 20,6 б) и 15 в) % (об.): 1 – нижняя ветвькривой флегматизации; 2 – верхняя ветвь кривой флегматизации273На рисунках 8.31 а), б) и 8.32 а), б) дополнительно приведены зависимостиэкспериментально определенных в главе 3 настоящей работы значениймаксимального давления взрыва ΔPmax от концентраций пентафторэтана C2HF5.Выбор этого флегматизатора для сравнения зависимостей Тад = f1(Cф) и ΔPmax =f2(Cф) вызван тем обстоятельством, что для C2HF5 эти зависимости качественноподобны в наибольшей степени.

Вообще говоря, при полной адиабатичностипроцесса сгорания смесей в реакционном сосуде и полном превращенииисходных компонентов в равновесные продукты горения эти зависимости должныбыть абсолютно качественно подобны, однако условия адиабатичности и полнотыпревращения в равновесные продукты реализуются далеко не всегда.Этим и объясняется отсутствие хорошего качественного подобия указанныхзависимостей во всех остальных случаях. Тем не менее даже качественный анализзависимостей Тад = f1(Cф) позволяет сделать некоторые важные выводы.Во-первых, при наличии в исходной горючей смеси фторированныхуглеводородов адиабатическая температура горения околопредельных составовдаже приблизительно не является постоянной в отличие от случая флегматизациихимически инертными агентами.

Так, согласно [119], величина Тад длянижнепредельных смесей органических соединений с воздухом составляет около1550 К, а значение Тад для нижней ветви кривой флегматизации посредством N2,CO2 и H2O находятся в диапазоне от 1450 до ≈ 1550 К, т.е. в относительно узкихпределах. Приблизительное постоянство Тад для верхних ветвей кривыхфлегматизации водорода химически инертными агентами (N2, CO2, Ar) отмеченов работе [248]. Существенные изменения адиабатической температуры горенияоколопредельных смесей с концентрацией фторированных углеводородовприводит к заметным изменениям максимального давления взрыва, которое былоэкспериментально обнаружено в главах 3 и 4 настоящей работы.Во-вторых, как известно [7], введение в горючую смесь вещества,обладающего ингибирующими свойствами (например, HBr), приводит кмонотонному росту Тад для околопредельных смесей вплоть до точкифлегматизации.

В нашем случае наблюдается как возрастание, так и убывание274адиабатическойтемпературыгорениясувеличениемконцентрациифторированного углеводорода, что говорит о наличии не только ингибирующих,но и промотирующих свойств указанных флегматизаторов.В-третьих, полученные результаты говорят о том, что возможностьраспространения пламени в смесях органических соединений с воздухом при техилииныхсоставахсмеси(итемсамымконцентрационныепределыраспространения пламени) определяются не процессами, протекающими примаксимальной температуре во фронте пламени (как это принимается в тепловойтеории распространения пламени), а химическими реакциями в той областипламени, где исходное горючее практически полностью превращено в CO, CO2,H2O, H2 [140].

При этом имеет место эмпирическое правило приблизительногопостоянстваадиабатическойтемпературыприсгоранииисходнойнижнепредельной смеси до CO и H2O [131, 249]. Дальнейшее окисление CO доCO2 при достижении некоторой критической температуры (около 900 – 1000 К)происходит в режиме цепно- теплового взрыва, давая продукты, конечный составкоторых может отличаться от равновесного в зависимости от характера тепловоговзаимодействия фронта пламени с окружающей средой (наличие теплопотерь).Это объясняет лишь приближенный характер корреляции величин ΔPmax и Тад,выявленный в настоящем разделе.Следует отметить еще некоторые особенности кривых на рисунках 8.31 –8.36, связанные с видом горючего газа.

Так, практически для всех верхних ветвейкривых флегматизации при горении водорода наблюдаются максимумы взависимостях Тад = f1(Сф) (кривые 2 на рисунках 8.31, 8.33, 8.35), в то время какзависимости Тад от Сф для нижних ветвей такой устойчивой особенности неимеют. В то же время при горении метана максимумы в зависимостях Тад = f1(Сф)наблюдаются, как правило, для нижних ветвей кривых флегматизации. Этосвидетельствуетотом,чтопромотирующеедействиефторированныхуглеводородов по отношению к Тад (и в определенной степени по отношению кΔPmax) проявляет себя в случае горения богатых смесей водорода в видедополнительного окислителя, а в случае горения бедных смесей метана - в виде275дополнительного горючего.

Качественно близкий вывод был получен в главе 3настоящей работы, где представлены соответствующие химические реакции,поясняющие данный вывод.Зависимости адиабатической температуры горения Тад от концентрациифлегматизаторов, представленные на рисунках 8.31 – 8.36, качественно подобныдля различных фторированных агентов (CHF3, C2HF5, C4F10). Этот результатсогласуется с данными работ [49, 140, 142], где показано, что механизмы влиянияуказанных флегматизаторов на процессы горения практически одинаковы.Аналогичным образом содержание кислорода в окислительной среде несказывается существенным образом на качественный характер представленных нарисунках 8.31 – 8.36 зависимостей Тад от концентрации фторированныхфлегматизаторов.При рассмотрении кривых флегматизации в смесях вида горючее (метан,водород) – окислительная среда (смесь азота и кислорода) – фторированныйуглеводород представляет интерес исследовать вопрос о возможном синергизмефлегматизирующихагентов(азотаифторированногоуглеводорода).Проанализируем данный вопрос для определенности для смесей в точкахфлегматизации, составы которых определены экспериментально в главе 3настоящей работы.Пусть имеется кривая флегматизации для окислительной среды с заданнымCO02(кривая 0), концентрация фторированного углеводорода (HCF) в точкефлегматизации для которой составляет CФ0 .

Имеется также аналогичная кривая(кривая 1) для CO1 ( CO1 < CO0 ), для которой содержание фторированного агента в222точке флегматизации составляет CФ1 (поскольку CO1 < CO0 , то CФ1 < CФ0 ). Состав22смеси в точке флегматизации кривой 1 можно рассматривать не только с точкизренияфлегматизациифторированнымуглеводородомпригорениивокислительной среде с CO1 , но и с точки зрения горения в окислительной среде с2CO02при флегматизации смесью агентов N2 и HFC.

Тогда смесь в точкефлегматизации можно рассматривать состоящей из трех компонентов: HFC с276концентрацией CФ1 , окислительная среда с содержанием кислорода CO02сконцентрацией (100 – CФ1 – C Г1 )∙λ, N2 с концентрацией (100 – CФ1 – C Г1 )∙(1 – λ) игорючее с концентрацией C Г1 . Здесь λ – мольная доля окислительной среды ссодержанием кислорода С0О2 в смеси с азотом, вычисляемая по формуле:  CO1 / CO0 .22(8.69)Концентрация составного флегматизатора CФэксп , полученная на основеанализа кривой 1, составляет таким образом:CФэксп  СФ1  (100  СФ1  СГ1 )(1   ) .Концентрацию составного флегматизатора(8.70)можно оценить такжерасчетным путем по правилу Ле- Шателье.Действительно, в этом составном флегматизаторе N2+HFC содержаниякомпонентов составляют:СN  (100  СФ1  СГ1 )(1   ) ,(8.71)CHFC  CФ .(8.72)2По правилу Ле- Шателье для флегматизаторов [119]:CФрасч СN  CHFC,СNCHFC 00CФNCФHFC222(8.73)27700где CФN, CФHFC– флегматизирующие концентрации азота и фторированного2углеводорода при горении в окислительной среде с содержанием кислорода CO0 ,2которые берутся из экспериментальных данных.Сравнивая величины CФэксп и CФрасч , можно определить наличие илиотсутствие эффекта синергизма флегматизаторов N2 и HFC.

Характеристики

Список файлов диссертации