Libmonster ID: UA-2146

Заглавие статьи "УПРЯЖКА" ДЛЯ ВОДОРОДНОГО ПЛАМЕНИ
Автор(ы) Вилен АЗАТЯН
Источник Наука в России,  № 1, 2007, C. 24-27

Член-корреспондент РАН Вилен АЗАТЯН, заведующий лабораторией цепных и гетерофазных реакций Института структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН

Технический прогресс сопровождается расширением применения водорода (Н2) в самых разных областях промышленности - производстве аммиака, высших спиртов, восстановлении металлов и т.д. Большие надежды связывают с ним и в качестве энергоносителя. Однако практическое использование этого газа всегда было сопряжено с риском: он не только легко воспламеняем, но и взрывоопасен. Однако, как выяснилось, опасность можно устранить. Эффективные методы управления процессами горения, взрыва и детонации водорода разработаны в Институте структурной макрокинетики и проблем материаловедения РАН (ИСМАН).

В качестве энергоносителя водород имеет бесспорные достоинства. В их числе - более высокая по сравнению с органическими топливами удельная теплотворность, а также скорость горения, позволяющая получить больше энергии в единицу времени*. Среди преимуществ и широкие концентрационные пределы воспламенения, т.е. диапазон от минимального до максимального процентного содержания, при котором водородо-воздушная смесь способна устойчиво гореть. Это означает, что для улучшения горения состав ее можно варьировать гораздо значительнее, чем в случае применения органических топлив - метана, пропана, бутана, бензина. Скорость распространения их пламени составляет от 0,35 до 0,57 м/с. А у водорода этот показатель в несколько раз выше - 2,6 м/с, т.е. он горит намного интенсивнее, обеспечивая в результате большую мощность действующей на его основе силовой установки, например реактивного двигателя. Все чаще Н2 используют в качестве топлива с большим КПД в электрохимических генераторах. Нельзя не отметить и его экологичность: единственным продуктом сгорания является вода. Не случайно в ряде стран приняты программы создания автомобильного транспорта на водородном топливе. Работы в этом направлении проводят и в России**. Преимущество интересующего нас газа как энергоносителя во многом определяется также его малой вязкостью, облегчающей доставку по трубопроводам. Данный способ транспортировки освоен в Германии и США.


* См.: Б. А. Соколов, С. А. Худяков. Топливо будущего. - Наука в России, 2004, N 5; В. Д. Русанов. Водород и водородная энергетика. - Наука в России, 2004, N 6 (прим. ред.).

** См.: Е. А. Мултых. Ориентир - экологически чистый транспорт. - Наука в России, 2004, N 4 (прим. ред.).

стр. 24


Получают водород в основном паровой конверсией природного газа. Есть и другие варианты. При электрохимическом производстве хлора Н2 образуется в равных с ним объемах в качестве побочного продукта. Перспективен также электролиз воды с использованием энергии больших электростанций (АЭС, ГРЭС) в ночные часы и в дни ослабления нагрузок.

Широкое использование водорода в технике, как упомянуто, во многом затруднено его повышенной взрывоопасностью. Смеси этого газа с воздухом склонны к неконтролируемому возгоранию, взрыву и детонации, чувствительны к слабым источникам зажигания (в том числе статическому электричеству). Если для воспламенения стехиометрической* смеси пропана требуется энергия зажигания электрическим разрядом 0,26 мДж, метана - 0,30, то для Н2 в десять с лишним раз меньше - 0,019 мДж.

До недавнего времени для управления горением и взрывом водородо-воздушных смесей использовали в основном нехимические методы: преграды на пути огня, гасители пламени, сильное разбавление инертными газами и т.п. В качестве химических средств ограниченно применяли хладоны (фреоны), представляющие собой фтор- и хлорзамещенные углеводороды. Но эффективность этих веществ невысока, к тому же они коррозионно-агрессивны, токсичны, нестойки при хранении и дорогостоящи. Заметный эффект подавления горения достигается лишь при столь больших добавках, что не без основания их влияние приписывают разбавлению смеси. Поскольку хладоны разрушают озоновый слой, их производство ныне приостановлено.

Отсутствие эффективных химических методов управления горением и взрывом газов раньше во многом определялось устоявшимися представлениями об основных факторах, влияющих на эти процессы и их закономерности. Напомним, воспламенение и развивающееся горение - это процессы, протекающие с возрастающим самоускорением до тех пор, пока не сказывается расход исходных веществ, и сопровождающиеся выделением тепла и света. Такой их режим могут вызвать два разных фактора.

Первый из них - нагрев смеси теплом, выделяющимся в ходе реакции. С повышением температуры она ускоряется, в результате чего разогрев усиливается. Такое горение называют тепловым.

От первого коренным образом отличается второй фактор. В его основе - размножение химически активных промежуточных частиц, свободных атомов и радикалов, представляющих собой осколки молекул. В быстрых реакциях с исходными молекулами они регенерируются, число их резко возрастает, в результате чего ускоряется расход исходных веществ. Реакции атомов и радикалов периодически чередуются, образуя реакционные цепи. Размножающиеся активные частицы начинают новые ветви цепей. В определенных условиях размножение атомов и радикалов происходит в геометрической прогрессии. Такой же характер приобретает скорость расхода исходных веществ до тех пор, пока их концентрация значительно не уменьшится. Этот бурно самоускоряющийся процесс, как и первый сопровождающийся выделением тепла и света, также является воспламенением и горением. Но по происхождению и свойствам оно совершенно иное. Это - цепное горение.

Помимо участия в реакциях регенерации и размножения, атомы и радикалы вступают и в другие реакции, например, они могут соединяться между собой (рекомбинация) с формированием валентно-насыщенных молекул. В итоге активные частицы гибнут, цепи обрываются. Если же они размножаются чаще, чем погибают, то рост их концентрации приобретает лавинный характер. Лавинообразно ускоряется и реакция в целом, что приводит к цепному воспламене-


* Стехиометрия - отношение чисел реагирующих между собой молекул с образованием продуктов без остатка (прим. ред.).

стр. 25


Зависимость скоростей тепловыделения (q+) и теплоотвода (q-) от температуры.

нию. Очевидно, в саморазогреве как бы и нет необходимости, но при интенсивном горении саморазогрев его сопровождает и усиливает цепную лавину. В определенных условиях наряду с ней может формироваться и тепловая. Режим горения, в котором ускорение реакции происходит при одновременном действии двух лавинных процессов, отличается особой интенсивностью. Это - тепловой взрыв с разветвленно-цепным механизмом.

До недавнего времени общепринято было считать, что в горении газов цепная лавина играет важную роль только при давлениях в десятки и сотни раз ниже атмосферного. Если же оно нормальное или повышенное, единственной причиной горения считали рост температуры. Так, в фундаментальной монографии выдающегося физикохимика, основоположника теории цепных процессов и горения, академика Николая Семенова (нобелевский лауреат 1956 г.) о третьем предельном давлении воспламенения, т.е., как раз относящемся к атмосферному и повышенным давлениям, сказано: "Прекрасное согласие между расчетом и опытом не оставляет сомнения в том, что третий предел смесей водорода с кислородом имеет тепловую природу". В труде известных исследователей Бернарда Льюиса и Гюнтера фон Эльбе (США) говорится: "...в так называемых горячих пламенах, с которыми обычно приходится иметь дело на практике, самоускорение происходит тепловым, а не цепным путем". Аналогичную точку зрения поддерживают авторы статей о горении в последних изданиях химической и физической энциклопедий. Даже в публикациях международных симпозиумов и конференций по проблемам горения, проходивших в 2005 г., роль цепного фактора проигнорирована.

Однако вопреки этим представлениям сотрудники ИСМАН установили: цепное размножение свободных атомов и радикалов - основной фактор, определяющий горение водорода и паров органических соединений при любых давлениях, при любом саморазогреве. Конкуренция разветвления и обрыва реакционных цепей является определяющей во всех формах горения, включая режимы взрыва, распространения пламени и детонации. Благодаря предложенному нами новому подходу стало возможным приступить к разработке химических методов управления горением газов, чему способствовало развитие теории цепных процессов академика Семенова.

Суть наших предложений - целенаправленное варьирование соотношения скоростей разветвления и обрыва реакционных цепей с помощью специально выбранных химически активных молекулярных добавок. Эти соединения - ингибиторы - легко реагируют с атомами и радикалами, приводя к образованию малоактивных продуктов, тем самым предотвращая лавинное размножение опасных реагентов. В результате предупреждается их воспламенение и горение (аналогично действуют графитовые стержни в атомном реакторе, перехватывающие нейтроны*). Причем молекулярная добавка влияет лишь на цепное горение, а не на тепловое, вызываемое повышением температуры.

Ингибирование не только замедляет саму реакцию, но, как следствие, уменьшает и саморазогрев смеси, что, в свою очередь, еще больше тормозит процесс. В результате затрудняется переход горения в детонацию. Если же ингибитор ускоряет обрыв цепей настолько, что разветвление оказывается медленнее обрыва, то горение становится невозможным.

В ИСМАН предложены и испытаны высокоэффективные, коррозионно-безопасные и недорогие соединения, небольшие добавки которых к смесям водорода с воздухом (достаточная концентрация 2%) позволяют управлять воспламенением, распространением пламени и его переходом в детонацию, а в


* См.: В. И. Субботин. Атомная энергетика: взгляд в будущее через прошлое. - Наука в России, 1996, N 6 и 1997, N 1 (прим. ред.).

стр. 26


Влияние ингибитора АКМ-3 и галона 114В2 на концентрационные пределы водородо-воздушных смесей. Окрашенная желтым область соответствует тепловому взрыву при разветвленно-цепном механизме.

Предотвращение детонации на натурном стенде прямоточного воздушно-реактивного двигателя, работающего на водородном топливе.

итоге обеспечить взрывобезопасность. Мы остановили выбор на легких олефиновых углеводородах - их молекулы содержат двойные связи между атомами углерода. Это этилен, пропилен, бутилен. При столкновении молекулы такого соединения с атомарным водородом одна из двойных связей легко раскрывается и захватывает его атомы, тем самым выводя из реакции горения, т.е. обрывая реакционную цепь. Эти ингибиторы намного эффективнее инертного разбавителя - аргона. Малые количества разработанного нами ингибитора, скажем 0,5% от объема смеси, предотвращают взрыв, сохраняя при необходимости режим горения. Идея использована сотрудниками ЙСМАН и Московского авиационного института (МАИ) в защищенном совместным патентом методе устранения взрыва (режима "стука") в двигателе внутреннего сгорания, работающего на водородном топливе.

Далее. Новый подход позволяет управлять горением других горючих газов, в том числе метана и широко используемого в химической промышленности синтез-газа, представляющего собой в основном смесь водорода и оксида углерода*. Взрывы метана до сих пор приводят к трагедиям с человеческими жертвами на угольных шахтах**. Между тем их можно предотвратить, как показывают результаты наших лабораторных экспериментов по подавлению горения метана ингибиторами.

Весьма перспективно применение водорода в летательных аппаратах с легким наполнителем - аэростатах, дирижаблях, зондах, все шире используемых в различных областях техники. В настоящее время в этой роли используют гелий. Водород же не только легче, но и намного дешевле. Однако его использование чревато опасностью взрыва. Сотрудники ИСМАН предложили и испытали неконденсирующиеся до температуры - 50°С ингибиторы, добавки которых в количестве 2 - 3% обеспечивают взрывобезопасность водорода в летательном аппарате. После успешных испытаний, проведенных совместно с МАИ, замечательное свойство газа подтверждено государственным сертификатом.

Таким образом, разработаны химические методы, позволяющие эффективно управлять горением водородо-воздушных смесей, в том числе радикально уменьшить опасность их воспламенения и взрыва в различных производствах, при хранении газа, транспортировке и применении, т.е. одну из важнейших проблем водородной энергетики можно считать решенной.

Запатентованные ингибиторы уже успешно использованы в наших совместных работах с Институтом им. М. Планка (Германия), Центральным институтом авиационного моторостроения (Москва), рядом других академических и отраслевых институтов России.

 


* См.: Прорывные технологии в энергетике. - Наука в России, 2005, N 6 (прим. ред.).

** См.: А. Рубан, В. Забурдяев. Шахтный метан. - Наука в России, 2006, N 3 (прим. ред.).


© elibrary.com.ua

Permanent link to this publication:

https://elibrary.com.ua/m/articles/view/-УПРЯЖКА-ДЛЯ-ВОДОРОДНОГО-ПЛАМЕНИ

Similar publications: LRussia LWorld Y G


Publisher:

Иван МилютинContacts and other materials (articles, photo, files etc)

Author's official page at Libmonster: https://elibrary.com.ua/SkyJack

Find other author's materials at: Libmonster (all the World)GoogleYandex

Permanent link for scientific papers (for citations):

"УПРЯЖКА" ДЛЯ ВОДОРОДНОГО ПЛАМЕНИ // Kiev: Library of Ukraine (ELIBRARY.COM.UA). Updated: 30.06.2014. URL: https://elibrary.com.ua/m/articles/view/-УПРЯЖКА-ДЛЯ-ВОДОРОДНОГО-ПЛАМЕНИ (date of access: 02.12.2021).


Comments:



Reviews of professional authors
Order by: 
Per page: 
 
  • There are no comments yet
Related topics
Publisher
Иван Милютин
Харьков, Ukraine
1221 views rating
30.06.2014 (2711 days ago)
0 subscribers
Rating
0 votes
Related Articles
А вообще весь этот кейс с комиками во власти заставил понять, что киношный сценарий разительно отличается от реальной большой политики, где побеждает трезвый, незамутненный запрещенными веществами ум, холодный расчет и опыт – как обязательные составляющие личности, дерзающей определять путь миллионов человек.
Catalog: Разное 
2 days ago · From Naina Kravetz
Когда менять резину на зимнюю в 2021 году?
2 days ago · From Україна Онлайн
Запрещает ли PayPal азартные игры?
Catalog: Экономика 
3 days ago · From Україна Онлайн
IN THE INTERESTS OF ENERGY STABILITY
8 days ago · From Україна Онлайн
Аварии на топливе Westinghouse случались и ранее, начиная с 1979 года, когда произошла крупнейшая в истории США авария на АЭС Три-Майл-Айленд, в результате которой зафиксировано расплавление 50% активной зоны реактора. Далее Westinghouse делала попытки торговать с Чехией, однако опасные эксперименты по замене оригинального топлива окончились досрочной его выгрузкой из 1-го энергоблока АЭС Темелин в январе 2007 года, по причине его сильной деформации. Вышедшие из строя вэстингхаусовские тепловыводящие сборки на 3-м энергоблоке Южно-Украинской АЭС были в экстренном порядке заменены на стандартные ТВЭЛовские.
Catalog: Экология 
9 days ago · From Naina Kravetz
HISTORY OF ROADS AND GROUND TRANSPORT ACCORDING TO ARCHEOLOGICAL DATA
Catalog: История 
11 days ago · From Україна Онлайн
BASIC UNIT FOR THE AMERICAN ACCELERATOR
11 days ago · From Україна Онлайн
TRANSITION TO CONTROLLED EVOLUTION OF THE BIOSPHERE
Catalog: Биология 
11 days ago · From Україна Онлайн
DEVONIAN PALEOSOILS OF THE ANDOMA MOUNTAIN
11 days ago · From Україна Онлайн
Безопасно ли брать кредит в Интернете?
Catalog: Экономика 
12 days ago · From Україна Онлайн

Actual publications:

Latest ARTICLES:

ELIBRARY.COM.UA is an Ukrainian library, repository of author's heritage and archive

Register & start to create your original collection of articles, books, research, biographies, photographs, files. It's convenient and free. Click here to register as an author. Share with the world your works!
"УПРЯЖКА" ДЛЯ ВОДОРОДНОГО ПЛАМЕНИ
 

Contacts
Watch out for new publications: News only: Chat for Authors:

About · News · For Advertisers · Donate to Libmonster

Ukraine Library ® All rights reserved.
2009-2021, ELIBRARY.COM.UA is a part of Libmonster, international library network (open map)
Keeping the heritage of Ukraine


LIBMONSTER NETWORK ONE WORLD - ONE LIBRARY

US-Great Britain Sweden Serbia
Russia Belarus Ukraine Kazakhstan Moldova Tajikistan Estonia Russia-2 Belarus-2

Create and store your author's collection at Libmonster: articles, books, studies. Libmonster will spread your heritage all over the world (through a network of branches, partner libraries, search engines, social networks). You will be able to share a link to your profile with colleagues, students, readers and other interested parties, in order to acquaint them with your copyright heritage. After registration at your disposal - more than 100 tools for creating your own author's collection. It is free: it was, it is and always will be.

Download app for smartphones