[B]n

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+ BP
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