Диагностика фотовоспламенения и распространения пламени в горючих газовых смесях

ПОЖАРОВЗРЫВОБЕЗОПАСНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

А. К. Беликов

канд. техн. наук, доцент, доцент Академии Государственной противопожарной службы МЧС РФ

Ю. А. Поляков

д-р техн. наук, профессор, профессор Академии Государственной противопожарной службы МЧС РФ

И. Р. Бегишев

д-р техн. наук, профессор, профессор Академии Государственной противопожарной службы МЧС РФ

УДК 541.124:614.81

ДИАГНОСТИКА ФОТОВОСПЛАМЕНЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ ПЛАМЕНИ В ГОРЮЧИХ ГАЗОВЫХ СМЕСЯХ

Приводятся и обсуждаются результаты регистрации процесса распространения пламени при фотовоспламенении смесей хлора с хлористым этилом одновременно несколькими чувствительными элементами, работающими на различных физических принципах (микротермопара, фотоэлектрический датчик, тонкопленочный термометр сопротивления). Использование малоинерционных сенсоров для диагностики процесса распространения пламени позволяет более надежно оценивать временную длину реакционной зоны.

Ключевые слова: диагностика, фотовоспламенение, ультрафиолетовое излучение, реакционная зона.

В последнее время особое внимание уделяется разработке инновационных технологий для синтеза широко используемых в практике веществ и материалов. Одной из них, обладающей существенными преимуществами перед традиционными (например, в плане экологической безопасности), является технология, основанная на фотолизе, в которой для инициирования радикально-цепной реакции применяют ультрафиолетовое (УФ) излучение.

Однако эффективное использование УФ-излу-чения в качестве энергетического возбудителя реакции при окислении и хлорировании осложняется проблемой пожаровзрывоопасности.

Опыт показывает, что инициируемые светом цепные процессы пожаровзрывоопасны. Фотовоспламенение многих горючих реакционных смесей может происходить даже при комнатной температуре. В частности, экспериментально установлено, что облучение смесей, содержащих хлор, может привести к лавинообразному росту общей скорости превращения и течение реакции приобретает характер взрыва.

В этой связи детальная скоростная диагностика фотовоспламенения и распространения фронта пламени в горючих газовых смесях в поле источника излучения представляет собой актуальную задачу. Тщательное изучение указанных процессов при

определенных начальных условиях связано с последующей разработкой методов и практических быстродействующих систем предотвращения развития аномальной ситуации.

Регистрация процессов фотовоспламенения и распространения пламени в системах, содержащих свободный хлор, сопряжена со значительными трудностями, обусловленными агрессивностью среды, которая резко возрастает с повышением температуры. Кроме этого сгорание горючих смесей углеводородов с хлором в отличие от их смесей с кислородом и воздухом сопровождается более слабым свечением и более низким разогревом газовой смеси. Температура горения таких смесей не превышает 1500-1700 К [1].

Роль ультрафиолетового излучения при фотовоспламенении рассматриваемых смесей сводится к генерации активных центров реакции, происходящей в результате фото диссоциации молекул хлора:

С12 + Ну ^ 2 С1.

Химическое взаимодействие атомов и радикалов с молекулами исходных веществ приводит к развитию радикально-цепного процесса, интенсивному тепловыделению вблизи источника излучения и появлению пламени, которое в дальнейшем распространяется на всю смесь.

Возможности диагностирования процессов фотовоспламенения и распространения пламени исследовали в смесях хлора с хлористым этилом. Как было показано в работе [2], такие смеси при зажигании УФ-излучением способны распространять пламя в концентрационных пределах по хлористому этилу от 10,0 до 49,0 % об.

Целью настоящей работы было определение реагирующей зоны при распространении фронта пламени вдоль реакционного канала.

Реакционные смеси с помощью вакуумной установки (рис. 1) набирали в цилиндрический сосуд из нержавеющей стали диаметром 0,05 м, длиной 0,93 м, герметично закрытый с торцов кварцевыми стеклами. В качестве источника излучения использовали ртутно-кварцевую лампу ДРТ-1000, интенсивность излучения которой на входном торце реакционного сосуда, измеренная методом ферриоксалатной актинометрии, составила ^ = 2-1021 квантДс-м2).

Температуру фиксировали четырьмя микротермопарами, установленными вдоль оси реакционного сосуда на различном расстоянии от его торца (0,097, 0,371, 0,520 и 0,876 м).

На рис. 2 представлен процесс распространения пламени в смеси 0,25С2С1Н5 + 0,75С12 при зажигании непрерывным УФ-излучением, зарегистрированный микротермопарами. После открытия затвора (см. рис. 1) УФ-излучение воздействует на реакционную смесь, в результате чего начинается процесс фотохлорирования. Одновременно с открытием затвора начинается сбор данных аналого-цифровым преобразователем. Четыре микротермопары последовательно регистрируют скачкообразное увеличение температуры, вызванное прохождением фронта пламени.

Видно, что воспламенение смеси происходит вблизи кварцевого стекла (см. рис. 1), а затем пламя распространяется по всему реакционному сосуду со средней скоростью 1,7 м/с. Максимальная температура реакционной смеси превышает 1200 К.

Применение малоинерционных сенсоров, использующих различные физические принципы преобразования информационных параметров в электрические сигналы, в одном сечении реакционного сосуда должно прояснять картину реагирующей зоны. Учитывая, что весь процесс протекал в "считанные" секунды, были выбраны сигнализаторы, обладающие быстродействием не хуже ~1 мс. Этим условиям отвечали фотоэлектрический датчик и тонкопленочный термосенсор, функционирующий в режиме термосопротивления. В качестве фотодатчика применялся фотопреобразователь КФДМ-1-82 с внешним диаметром 3,5 мм. Быстродействие фотоприемника составляло не хуже 10-5 с.

ВО-1227 МО-1227

Рис. 1. Принципиальная схема экспериментальной установки: 1 — реакционный сосуд; 2 — ртутно-кварцевая лампа; 3 — затвор; 4 — кварцевое стекло; 5 — фотодатчик; 6—микротермопары; 7—баллон с хлором; 8 — баллон с исследуемым веществом; 9 — влагоуловитель; 10 — краны; 11 — краны Гоффера; 12 — ловушка с жидким азотом; 13 — трехходовой кран; 14 — вакуумный насос, 15 — компьютерный измерительный комплекс

Г, К 1200 1000

800 600 400 200

Расположение микротермопар

1 Л лу^гЬЬЧ—И 1

А и к

\ 2 / з] / /

) л

0

1

т, с

Рис. 2. Зависимость температуры от времени на оси реакционного сосуда длиной 0,93 м при непрерывном облучении УФ-излучением смеси 0,25С2С1Н5 + 0,75С12: 1-4 — показания 1, 2, 3 и 4-й микротермопар

Пленочный термосенсор (терморезистор) представлял собой диэлектрическую матрицу, на лицевую сторону которой наносился чувствительный элемент (ЧЭ) в виде платиновой пленки толщиной 0,1 мкм. Как известно, быстродействие такого датчика можно оценить, решая контактную задачу теплопроводности для модели "пластина (пленка)" и "полупространство (подложка)".

Полагаем, что начальный подъем температуры поверхности, воспринимающей тепловой поток, можно принять в виде граничной функции/(т) = Ьт [3]. Тогда отношение температуры контакта к температуре поверхности чувствительного элемента определяется уравнением:

0, =

,1(0, т) Ьт

8 £ (-1)" "1 í " ^ 2 ег/е

1 + 7

1 = 1

1 + 7

2п - 1 _ 2^ _

где 7 — отношение коэффициентов теплоусвоения материалов подложки и пленки, 7 = ег /еп;

— критерий Фурье, = ат т/12; г2 ег/е — функция Гаусса [4]. Функция 0,, представленная на рис. 3, дает возможность оценить время быстродействия (прогрева ЧЭ). Так, при Г0 = 200 и толщине чувствительного элемента I = 0,1 мкм это время составляет -0,08 мкс.

Для изучения влияния собственной теплоемкости чувствительной пленки термосенсора рассмотрим нестационарную модель "пленка плюс полуограниченное тело" при воздействии на систему теплового потока в виде линейной функции зависимости от времени — q0 = Ьт. Тогда отношение теплового потока в подложку к тепловому потоку, подведенному к внешней поверхности ЧЭ, представляется как:

0 = ^ = 87 = - 1 + 7

= Е

п = 1

1 - 7 1 + 7

q 0

п -1

г2 ег/е

2 п - 1

_ 24^0 _

На рис. 4 показана зависимость 0q = /(Р0). Видно, что для достижения величиной 0q значений около 0,95-0,96, когда потери на теплоаккумулиру-ющую способность ЧЭ составляют 5-4 % общего теплового потока, требуется обеспечить значение А0 = 2,5104 для толщины чувствительного элемента I = 0,1 мкм. Расчет дает время тq - 10 мкс, после которого вполне корректно теплоемкостью ЧЭ можно пренебречь и тепловой поток вычислять по формулам для полуограниченного тела [5].

В результате величину теплового потока определяли по кусочно-аппроксимирующей формуле, имея термограмму записи нестационарной температуры поверхности:

q( Т т ) = 1у= (а/т т -Т п -1 -4Х

Зл п = 1

-т п),

где Рг = ^ Ма.

Эксперимент проводился следующим образом. Фотодатчик и тонкопленочный термосенсор были установлены в одном сечении с третьей термопарой. Термосенсор включался в цепь постоянного тока последовательно с добавочным сопротивлением Я = 103 Ом. Для регистрации сигналов от датчиков использовался восьмиканальный шестнадцатиразрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП),

0,98

0,96

0,94

% -

Чп,

50

100 150

200

250 К,

Рис. 3. Зависимость относительной температуры

0, = %/га =/

?

0,8 0,6

0,4 0,2

10

102

103

ю4

2,5-10

Рис. 4. Зависимость относительного теплового потока 0q = q«/qo = /

который функционально был связан с персональным компьютером (ПЭВМ). Запуск АЦП производился автоматически с помощью фотодиода в момент открытия затвора (см. рис. 1).

Компьютер по разработанным алгоритмам проводил обработку поступающих сигналов, в результате чего при прохождении реакционной зоны мимо быстродействующих преобразователей информации на дисплее регистрировались нестационарная температура реакционной смеси (сигнал от микротермопары), импульс с фотоприемника и термограмма термосенсора.

Обобщенный результат экспериментов представлен на рис. 5.

Анализ неоднократных опытов показывает: 1. Фиксируемая микротермопарой температура реакционной зоны за фронтом пламени имеет неравномерный характер (см. рис. 5, кривая 2), тем не менее она достигает довольно значительных величин примерно через 0,5 с. Однако, имея ощутимую тепловую инерцию, 25-микронная термопара при остывании не чувствует временную границу зоны протекания реакции. Это видно по относительно медленному снижению температурной кривой уже после того, как "зона" прошла контрольное сечение.

2. Импульс излучения от фотоприемника несет более достоверную информацию в этом отношении. В пяти экспериментах при идентичных исходных условиях временной диапазон излучения от реагирующей смеси составлял от 1,15 до 1,40 с. Можно сделать однозначный вывод, что временная величина реакционной зоны в среднем составляет ~1,23 с (см. рис. 5, кривая 5). Это результат подтверждается и независимыми измерениями теплового потока от зоны реакции, зафиксированного пленочным терморезистором (см. рис. 5, кривая 1).

3. Измеренный тепловой поток имеет в данных опытах сложную зависимость. Интегрально терморезистор на поверхности подложки фиксирует как лучистую, так и конвективную составляющие теплового потока вплоть до ~0,8 с воздействия реакционной смеси. Последующий всплеск связан, видимо, с повышенной турбулизацией пристеночного слоя, что находит отражение в увеличении конвективной составляющей. Данный вопрос требует дальнейшего исследования.

Однако сказанное не мешает сделать вывод, что и по показаниям теплового сенсора величина реакционной зоны заканчивается где-то в районе временной отметки ~1,25 с.

Таким образом, одновременное измерение в одном сечении реакционного канала излучения и теплового потока за фронтом пламени, распространяющегося вдоль канала при инициировании химической реакции светом, различными по физическому

?-10"А

Вт/м2 U, мВ Т, °С

Рис. 5. Зависимость изменения теплового потока (кривая 1), температуры на оси сосуда (кривая 2, показания 3-й термопары) и импульса излучения (кривая 3, показания фотоприемника) от времени

принципу преобразователями информации дает возможность оценить временную длину реакционной зоны.

Изложенный новый метод идентификации протяженности реагирующей области в горючих газовых смесях по двум независимым малоинерционным сигнализаторам повышает объективность извлекаемой информации [6]. Это важно при разработке быстродействующих систем своевременного предотвращения развития пожаровзрывоопасной ситуации в фотохимических реакторах.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Розловский, А. И. Основы техники взрывобезопасности при работе с горючими газами и парами / А. И. Розловский. — М. : Химия, 1980. — 376 с.

2. Беликов, А. К. Горение смесей С2С1Н5 + С12 под действием УФ-излучения / А. К. Беликов, А. В. Максименко, С. А. Феофанов [и др.] // Материалы 13-й научно-технической конференции "Системы безопасности". — М. : Академия ГПС МЧС России, 2004. — С. 190-194.

3. Поляков, Ю. А. К вопросу определения постоянной времени теплопроводности пленочных термоприемников / Ю. А. Поляков // Теплофизика высоких температур. — 1968. — № 1. — С.199-201.

4. Лыков, А. В. Теория теплопроводности/А. В. Лыков. — М.: Высшая школа, 1966. —599 с.

5. Поляков, Ю. А. Методика измерения теплообмена в кратковременных процессах/ Ю. А. Поляков // Измерительная техника. — 1969. — № 10.—С. 101-104.

6. Поляков, Ю. А. Проблемы управления безопасностью сложных энергетических объектов / Ю. А. Поляков, А. В. Баутин // Труды 9-й Международной научной конференции "Проблемы управления безопасностью сложных систем". — М. : ИПУ РАН, 2003. — С. 287-289.

Материал поступил в редакцию 14.07.09.

© Беликов А. К., Поляков Ю. А., Бегишев И. Р., 2009 г.

(e-mail: kpg@academygps.ru).