close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Лазерное зажигание бурого и длиннопламенного газового углей и смесевых составов на основе углей и тетранитропентаэритрита

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
КОВАЛЕВ РОДИОН ЮРЬЕВИЧ
ЛАЗЕРНОЕ ЗАЖИГАНИЕ БУРОГО И
ДЛИННОПЛАМЕННОГО ГАЗОВОГО УГЛЕЙ И
СМЕСЕВЫХ СОСТАВОВ НА ОСНОВЕ УГЛЕЙ И
ТЕТРАНИТРОПЕНТАЭРИТРИТА
02.00.04 – Физическая химия
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Кемерово – 2018
Работа выполнена в Институте углехимии и химического материаловедения
Федерального
государственного
бюджетного
научного
учреждения
«Федеральный исследовательский центр угля и углехимии Сибирского
отделения Российской академии наук» (ФИЦ УУХ СО РАН)
Научный
Адуев Борис Петрович – доктор физико-математических
руководитель
наук, профессор, главный научный сотрудник Института
углехимии и химического материаловедения ФИЦ УУХ
СО РАН
Официальные
Архипов Владимир Афанасьевич – доктор физико-
оппоненты
математических наук, профессор, заведующий отделом
газовой динамики и физики взрыва НИИ прикладной
механики
и
математики
исследовательском
Томском
при
Национальном
государственном
университете
Митрофанов Анатолий Юрьевич – кандидат физикоматематических наук, доцент кафедры органической и
физической химии Института фундаментальных наук
Кемеровского государственного университета
Ведущая
Национальный
исследовательский
организация
политехнический университет
Томский
Защита диссертации состоится «12» октября 2018 г. в 13:00 на заседании
Совета
по
защите
диссертаций
Д 212.088.03
при
Кемеровском
государственном университете (650000, г. Кемерово, ул. Красная, 6).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кемеровского
государственного университета.
Автореферат разослан «___» __________ 2018 г.
Ученый секретарь Совета Д 212.088.03
доктор физико-математических наук,
профессор
А. Г. Кречетов
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы: Для более рационального использования сжигания
угольных
частиц
необходимо
изучение
фундаментальных
процессов
зажигания и горения углей. Для изучения стадий горения необходимо
применение
источника
быстрого
зажигания
углей
с
последующей
регистрацией стадий горения. Для этого необходимо применение методик с
достаточно высоким временным разрешением. В данной работе для
зажигания углей используется импульсный YAG:Nd+3 лазер (длительность
импульса 14 нс, длительность импульса 120 мкс), позволяющий осуществить
быстрый подвод энергии к образцам углей и определить некоторые
характеристики горения в зависимости от плотности энергии, а также
развитие процессов горения во времени спектрально-кинетическим методом.
Большой интерес представляет инициирование смесевых составов и
пластифицированных взрывчатых веществ, порохов, горючих смесей и
полимеров, воспламеняющихся угольных частиц, других лабильных веществ
в условиях импульсного подвода энергии. В работе приведены результаты
исследования модельного экспериментов по лазерному зажиганию смесей
углей и энергетического материала тетранитропентаэритрита (тэна), с целью
получения
композитов
с
высокой
чувствительностью
к
лазерному
воздействию. Это позволило бы в качестве добавок во взрывчатые вещества
применять дешевый уголь, вместо дорогостоящих наночастиц металлов. При
высоких плотностях образцов тэна с включениями угольных частиц можно
получить смесевой состав с низким порогом взрывчатого инициирования
(Hcr ≤ 1 Дж/см2). Полученные в результате выполнения работы результаты
дадут вклад в развитие знаний модельных представлений о горении
многокомпонентных систем в условиях быстрого подвода энергии.
В данной работе приведены результаты исследования лазерного зажигания
смесей углей и энергетического материала тетранитропентаэритрита (тэна).
Для
смесевых составов угля и тэна насыпной плотности, возможно
3
сокращение длительности сгорания при повышении температуры, что может
дать экономический эффект.
Результаты работы дают вклад в создании научной базы для
оптимизации зажигания и повышения эффективности сжигания угольного
топлива. Все выше перечисленное и определяет актуальность работы.
Цели и задачи работы Целью работы является: 1. Исследование
процессов лазерного зажигания двух марок угля с наибольшим содержанием
летучих веществ: бурого (марка Б) и длиннопламенного газового (марка ДГ).
2. Исследование пороговых и спектрально-кинетических характеристик
процессов быстрого разложения смесевых составов тэн-уголь (взрыв или
горение) в зависимости от плотности лазерного импульса воздействия,
плотности образцов и процентного соотношения компонентов в составе
смеси.
Для достижения целей решались следующие задачи:
1. Определить пороговые характеристики зажигания и кинетические
характеристики свечения пламени частиц углей марок Б и ДГ в зависимости
от плотности энергии лазерных импульсов воздействия, с длительностью
120 мкс.
2. Измерить спектрально-кинетические характеристики
свечения
пламени горения частиц углей марок Б и ДГ, при лазерном воздействии.
3. Исследовать кинетику свечения пламени прессованных образцов
углей
марок Б и ДГ при воздействии лазерными импульсами с
длительностью 14 нс.
4. Измерить вероятность взрыва тэна с добавками углей марок Б и ДГ
(плотность образцов ρ =1.7 ± 0.03 г/см3) при использовании лазерных
импульсов с длительностью 14 нс.
5. Исследовать влияние концентрации содержания тэна в смесевом
составе уголь –тэн (плотность образцов ρ = 0.5 ± 0.02 г/см3) на длительность
свечения пламени горения в зависимости от концентраций содержания тэна.
4
6. Определить пороги зажигания композитов уголь – тэн (с насыпной
плотностью ρ = 0.5 ± 0.02 г/см3) в зависимости от концентрации содержания
тэна, с использованием импульса лазера с длительностью 120 мкс.
Научная новизна
1. Впервые измерены спектрально-кинетические характеристики свечения
пламени горения частиц углей марок Б (Кайчакское месторождение) и ДГ
(Соколовское
месторождение),
при
воздействии
лазерного
импульса
длительностью 120 мкс.
2. Впервые определены пороги лазерного зажигания углей марок Б и ДГ в
зависимости от размеров частиц. Показано, что наименьшие пороги
лазерного зажигания имеют частицы с размером ~ 1 мкм.
3. Впервые исследовано взрывчатое разложение смесевого состава тэна с
добавками субмикронных частиц угля, при инициировании лазерным
импульсом длительностью τ = 14 нс.
4. Впервые определены длительности свечения пламени горения смесевого
состава уголь-тэн в зависимости от концентрации добавок тэна, при лазерном
зажигании (длительность лазерного импульса τ = 120 мкс).
Научная значимость работы Выполненная в работе совокупность
экспериментальных данных лазерного зажигания углей марок Б и ДГ
позволила выделить три последовательных стадии процесса горения углей их
временной масштаб и необходимые критические плотности энергии для
зажигания. Эти результаты вносят вклад в решении общей проблемы –
изучения механизма зажигания этих углей.
Установленные
закономерности
лазерного
зажигания
смесевых
составов уголь-тэн в зависимости от состава (концентрация добавок и
плотность образца), позволяют получить как взрывчатый материал, так и
составы с повышенной скоростью горения и температурой.
Практическая
значимость
Результаты
работы
по
лазерному
зажиганию углей дают возможность развития направления лазерного
розжига пылевидного топлива применяемого в энергетических установках.
5
Развитие этого направления позволит в перспективе отказаться от
мазута
и
даст
большой
экономический
и
экологический
эффект.
Исследование смесевых составов тэн-уголь позволили получить взрывчатые
материалы с низкими порогами взрыва при лазерном инициировании,
способными конкурировать с композитами тэн-металл.
Основные положения выносимые на защиту:
1.Процесс лазерного зажигания угольных частиц размером d ≤ 100 мкм,
марок Б и ДГ имеет три стадии:
а) Во время действия лазерного импульса происходит нагрев частиц
углей с появлением теплового свечения с температурой T ≈ 3000 K.
б)
Зажигание и воспламенение летучих веществ в газовой фазе, в
миллисекундном временном интервале.
в) Зажигание и горение коксового остатка во временном интервале
~100 мс, с температурой пламени 1800 K.
2. Пороги зажигания летучих веществ и зажигания коксового остатка,
при воздействии лазерного импульса для углей марок Б и ДГ в зависимости
от размера частиц имеют немонотонный характер. Наименьший порог
зажигания имеют частицы размером ~ 1 мкм.
3. Порог лазерного инициирования взрыва смесевого состава тэн-уголь,
для образцов с плотностью ρ≈ 1.7 г/см3 составляет величину 1 Дж/см2 при
концентрации включений для частиц углей марок Б и ДГ, 0.5% по массе.
4. Для смесевых составов угля и тэна насыпной плотности (ρ ≈ 0.5
г/см3) пороги зажигания монотонно уменьшаются от 2.8 Дж/см2 до 2 Дж/см2,
при увеличении концентрации тэна от 0 до 50%.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в экспериментах и обработке экспериментальных
данных. Результаты, изложенные автором в диссертации, получены в
совместной работе с научным руководителем и сотрудниками Лаборатории
энергетических соединений и нанокомпозитов Института углехимии и
химического материаловедения
ФИЦ УУХ СО РАН. В совместных
6
публикациях автору принадлежат результаты, сформулированные в разделах
диссертации, соавторы публикаций согласны с включением результатов
совместных работ в диссертацию.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались на конференциях: Актуальные
вопросы углехимии и химического материаловедения: IV конф. молодых
ученых (Кемерово 2015г.); Углехимия и экология Кузбасса: Междунарожный
Российско-Казахстанский симпозиум (Кемерово 2015г.); Всероссийская
школа-конференция с международным участием «Химия и физика горения и
дисперсных систем»(Новосибирск 2016г.); Совместный IX Международный
Симпозиум «Физика и Химия Углеродных Материалов (Алма-Ата, 2016г);
Инновационный
конвент
«КУЗБАСС:
ОБРАЗОВАНИЕ,
НАУКА,
ИННОВАЦИИ». Новокузнецк-Кемерово 2016; Ежегодная конференция
молодых ученых ФИЦ УУХ СО РАН "Развитие - 2016"(Кемерово2016г);
Ежегодная конференция молодых ученых ФИЦ УУХ СО РАН "Развитие 2017"(Кемерово2017г).
Работа выполнена в соответствии с плановой темой НИР и при частичной
поддержки гранта РФФИ.
Публикации По теме диссертации опубликовано работ – 26 из них
публикаций в журналах рекомендованных ВАК – 4.
Объем и структура диссертации Диссертационная работа состоит из
введения, 4-х глав, заключения и списка литературы.
Общий объѐм диссертации составляет 146 страниц 9 таблиц и 96 рисунков.
Список литературы включает 137 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении описаны актуальность работы, научная и практическая
значимость, сформулированы защищаемые положения.
В первой главе приведен литературный обзор по горению углей.
Рассматрены
стадии
экспериментальные
горения
методы
углей,
исследования
7
описаны
горения
теоретические
и
и
воспламенения
угольных частиц и угольной пыли. Рассмотрено воспламенение углей под
действием лазерного излучения, произведен анализ механизмов, стадий
лазерного зажигания углей.
Во второй главе описаны характеристики экспериментальных образцов. В
качестве экспериментальных образцов взяты угли марок Б (бурый) и ДГ
(длиннопламенный-газовый). Образцы представляли с собой порошки с
насыпной плотностью 0.5±0.01 г/см3. Порошок был получен при дроблении
на щековой дробилке и дальнейшем измельчении на центрифугированной
шаровой мельнице Fritsch Pulverisette-6. После измельчения порошок
просеивался на виброситах с решетом, размеры отверстий которого
составляли 100 мкм и 63 мкм. После помола получали порошки угля с
максимальными размерами частиц (далее размерами) ~ 100 мкм и ~ 63 мкм.
Технический анализ углей после помола представлен в таблице 1.
Таблица 1
№
Марка угля,
2
Для получения фракций с
месторождение,
более
максимальный
распределением
размер частиц
1
Технический анализ
Б, разрез
Wa, %
Ad, %
Vdaf, %
11.1
9.5
51.4
узким
размерам,
метод
по
использовался
седиментации.
В
Кайчакский,
результате
100 мкм
порошков углей марок Б и
ДГ, Соколовское
4.0
5.3
40.5
ДГ
седиментации
были
месторождение
порошки
с
100 мкм
распределениями
получены
узкими
по
размерам. Также приведена
методика получения смесевых составов на основе тэна и углей. Были
выбраны порошок угля марки Б с максимумом распределения 0.75 мкм и
порошок угля марки ДГ с максимумом распределения 0.5 мкм. Для взрывных
экспериментов были сделаны смесевые составы тэна с углями марок Б и ДГ,
содержанием включений субмикронных частиц углей: 5; 3; 1; 0.5; 0.25% по
8
массе. Образцы в виде таблеток приготавливались методом прессования
угольного порошка или смесевого состава тэн-уголь на гидравлическом
прессе. Прессование экспериментальных образцов производились в центре
медной пластины толщиной 1 мм, в которой имелось отверстие диаметром
3 мм. После прессования плотность экспериментальных образцов составила
ρ = 1.7 г/см3 и диаметром 3 мм. Для исследования зажигания смесевых
составов уголь-тэн использовался бурый уголь насыпной плотности с
включениями порошка тэна 0÷50% по массе.
В качестве источника зажигания углей использовался YAG:Nd3+ лазер
на длине волны λ = 1064 нм, работающий в двух режимах. Режим свободной
генерации (τ = 120 мкс) и режим модуляции добротности (τ = 14 нс).
Максимальная энергия лазерного импульса 1.5 Дж.
На базе лазера
используется экспериментальная аппаратура, которая позволяет измерение
кинетики интегрального свечения образцов с временным разрешением ~ 1 нс,
спектрально-кинетические
спектральном
характеристики
свечения
образцов
в
диапазоне 350-750 нм и временном интервале 10-8-0,1 с,
измерение пороговых характеристик зажигания углей и взрывчатого
разложения смесевых составов тэн-уголь и измерение временных и
амплитудных оптико-акустических характеристик взрыва образцов.
В третьей главе описаны результаты экспериментов по лазерному
зажиганию углей Б и ДГ. В первом разделе измерялась вероятность P
зажигания углей в зависимости от плотности энергии лазерного импульса.
Для этого при фиксированной плотности энергии производилось воздействие
на образцы и определялась вероятность зажигания P=n/10, где n – число
вспышек, зарегистрированных фотоумножителем, 10 – число образцов.
Определялся порог зажигания Hcr, как плотность энергии лазерного импульса
при вероятности зажигания P = 0.5. Эксперимент повторялся при различных
плотностях энергии. В диапазоне плотностей энергии лазерного импульса
H = 0.3÷1.5 Дж/см2 наблюдается следующий тип кинетических кривых для
порошков углей марок Б и ДГ (рисунок 1).
9
Рисунок 1. Кинетика свечения, наблюдаемая в интервале энергий
H = 0.3÷1.5 Дж/см2,а – для угля марки Б; б – для угля марки ДГ
Длительность свечения совпадает с длительностью лазерного импульса
(120 мкс). При увеличении энергии лазерного импульса в интервале
плотностей энергий H = 1.6÷2.1 Дж/см2 наблюдаются кинетические кривые
второго типа (рисунок 2), включающее свечение поверхности образца
(длительность ~ 120 мкс) для обеих марок углей и свечение пламени,
появляющееся над его поверхностью, высотой 2 мм во временном интервале
2÷5 мс для угля марки Б и 0.3÷1.5 мс для угля марки ДГ.
Рисунок 2. Кинетика свечения пламени продуктов горения частиц углей,
наблюдаемая в интервале энергий H = 1.6÷2.1 Дж/см2. а – для угля марки Б;
б – для угля марки ДГ
При плотностях энергий H ≥ 2.3 Дж/см2 наблюдаются кинетические
кривые свечения третьего типа (рисунок 3), включающие два первых типа
свечения и пламя, возникающее во временном интервале 25÷150 мс.
10
Рисунок 3. Кинетика свечения пламени продуктов горения частиц углей
углей, наблюдаемая при плотностях энергии H ≥ 2.3 Дж/см2.а – для угля
марки Б; б – для угля марки ДГ
На рисунке 4 показаны вероятностные кривые зажигания для угля
марки Б для всех стадий зажигания.
Рисунок 4. Вероятностные кривые зажигания угля марки Б:
а – для кинетики рис.1-а; б – для кинетики рис.2-а;
в – для кинетики рисунок 3-а.
Соответствующие пороги зажигания для всех трех кинетических кривых
Hcr(1) = 0.6±0.1 Дж/см2, Hcr(2) = 1.9±0.2 Дж/см2, Hcr(3) = 2.8±0.3 Дж/см2.
Аналогичным образом измерены соответствующие пороги зажигания
для
угля
марки
ДГ:
Hcr(1) = 0.3±0.03 Дж/см2,
Hcr(2) = 1.2±0.1 Дж/см2,
Hcr(3) = 2.6±0.4 Дж/см2. Из полученных результатов следует вывод, что
процесс лазерного зажигания и последующего воспламенения угольных
частиц состоит из трех стадий. Первая стадия – нагрев угольных частиц;
Вторая стадия – прогрев частиц углей, достаточный для возбуждения
11
экзотермических реакций с выделением и воспламенением летучих веществ.
Третья стадия – горение коксового остатка угольных частиц.
Во втором разделе устанавливалось влияние размера угольных частиц
на пороги лазерного зажигания. В качестве объектов исследования были
выбраны порошки с узким распределением по размерам, полученные
методом седиментации. В качестве размера частиц, применялся максимум
распределения частиц по размерам.
Рисунок 5-а. Зависимость порогов от
Рисунок 5-б. Зависимость порогов от
размеров угольных частиц угля марки
размеров частиц для угля марки ДГ
Б для различных стадий зажигания
для различных стадий зажигания
Пороги Hcr(2) и Hcr(3) немонотонно зависят от размеров для обеих марок углей.
Минимальные пороги, достигаются для размера ~ 1 мкм.
В
следующем
разделе
описаны
результаты
спектральных
характеристик лазерного зажигания угля марки Б и ДГ. На рисунке 6-а,
изображен спектр свечения поверхности порошка угля марки Б при
воздействии лазерным импульсом с плотностью H = Hcr(1).
12
I, отн.ед.
0.2
0.1
l , нм
0
300
400
500
600
700
800
Рисунок 6-а. Спектр свечения
Рисунок 6-б. Спектр свечения
поверхности порошка угля марки Б,
поверхности порошка угля марки Б,
при воздействием лазерного
при воздействием лазерного
импульса плотностью энергии
импульса плотностью энергии
H =Hсr(1)
H = Hсr(1), построенный в координатах
Вина
Построение в координатах Вина по методике, описанной в [4],
позволяет определить температуру свечения T = 3000±40 K. Аналогичные
результаты были получены для порошка угля марки ДГ. Также были
получены спектры пламени над поверхностью углей марки Б и ДГ при
увеличении плотности энергии импульса до Hcr(2).
0.3
I, отн.ед.
0.3
0.2
0.2
0.1
0.1
l , нм
0.0
350
400
450
500
550
600
650
700
750
Рисунок 7-а. Спектр свечения над
Рисунок 7-б. Спектр свечения над
поверхностью порошка угля марки
поверхности порошка угля марки ДГ
Б при воздействием лазерного
при воздействием лазерного импульса
импульса плотностью энергии Hсr(2)
плотностью энергии Hсr(2)
Данные спектры соответствуют максимумам интенсивности кинетики
свечения (рисунок 2). Спектры имеют нетепловой характер, и мы можем
13
связать их с воспламенением летучих веществ. Согласно литературным
данным [1,2], спектры на рисунке 7, соответствует линиям свечения молекул
H2 и H2O.
При повышении энергии до Hcr(3), появляется вертикальное пламя высотой
до 10 см. Спектр измерен в максимуме третьего компонента кинетической
кривой (рисунок 3).
Рисунок 8-а. Спектр пламени над
Рисунок 8-б. Спектр пламени над
поверхностью порошка угля марки Б
поверхностью порошка угля марки Б
при воздействием лазерного импульса
при воздействием лазерного
плотностью энергии Hсr(3)
импульса плотностью энергии Hсr(3),
построенный в координатах Вина
Из построений в координатах Вина (рисунок 8-б) найдена температура
пламени T = 1800±20 K. Аналогичные результаты были получены для угля
марки ДГ. Спектр черного тела, обусловлен разлетом раскаленных частиц
сажи, которые по-видимому образуются в процессе сгорания коксовго
остатка.
В четвертой главе приводятся результаты по лазерному зажиганию
углей в виде таблеток с использованием режима модуляции добротности
лазера (τ = 14 нс). Типичные кинетики свечения для углей марок Б и ДГ
представлены на рисунок 9-а и 9-б, соответственно.
14
Рисунок 9-а. Кинетическая кривая
Рисунок 9-б. Кинетическая кривая
свечения пламени при зажигании
свечения пламени при зажигании
таблетки угля марки Б лазерным
таблетки угля марки ДГ лазерным
импульсом длительностью 14 нс
импульсом длительностью 14 нс
Наблюдаемые кинетики свечения пламени неэлементарны (рисунок 9).
После лазерного импульса в интервале до 100 нс интенсивность свечения
нарастает и
появляется
пламя
над
поверхностью. На рисунке
10
представлены спектры свечения пламени таблетки угля марки ДГ.
0.07
I, отн.ед.
0.06
0.05
0.04
0.03
0.02
0.01
λ, нм
0
350
400
450
500
550
600
650
700
750
Рисунок 10-а. Спектр свечения
Рисунок 10-б. Спектр свечения угля
угля марки ДГ в момент
марки ДГ в момент времени 120 нс
воздействия лазерного импульса
после воздействия лазерного импульса
(спектр на поверхности таблетки)
(спектр над поверхностью таблетки)
15
Аналогичные результаты получены на таблетке угля марки Б. Спектры
свечения таблеток имеют нетепловой характер, и эти спектры можно связать
с горением летучих веществ. Согласно литературным данным [1,2], спектр
свечения на рисунке 10-а наиболее вероятно связан пламенем CO, спектр на
рисунок 10-б содержит неидентифицированные компоненты.
Во втором разделе главы измерялись пороги взрывчатого разложения
тэна с включениями частиц углей марок Б (750 нм) и ДГ (500 нм). Была
получена зависимость порогов взрывчатого разложения смесевого состава
тэн-уголь
(плотность
образцов
ρ = 1.7±0.03 г/см3)
в
зависимости
от
концентрации содержания частиц углей в композите (рисунок 11).
Из полученных зависимостей мы
видим,
что
минимальный
порог
взрывчатого разложения смесевых
составов тэн-уголь Hcr = 1 Дж/см2,
достигается
при
концентрации
включений Сопт = 0.5% по массе для
Рисунок 11. Зависимость пороговой
обеих марок углей. Рост Hcr при
энергии инициирования взрыва от
С > Сопт
концентрации включений в образце
на
рисунке
11
можно
объяснить со следующих позиций.
при лазерном инициировании. 1 –
Увеличение
уголь марки Б; 2 – уголь марки ДГ
включений С > Cопт, приводит к
концентрации
увеличению газовыделения во время действия импульса, что приводит к
увеличению давления. Повышение давления приводит к просачиванию газа в
микрозазоры между пластиной кристаллодержателя и прижатой к нему
стеклянной пластиной. Эффект тем сильнее, чем выше концентрация
включений С. В связи с этим, для достижения пороговой плотности энергии
лазерного инициирования, нужно повысить плотность энергию лазерного
излучения. С помощью фотошара, измерялся показатель экстинкции для
смесевых составов с различным процентным содержанием углей. На
оптимальной концентрации включений С = 0.5% показатель экстинкции
16
равнялся keff = 8 см-1. Расчет по закону Бугера показывает, что при keff = 8 см-1
45% энергии излучения проходит через образец, а 55% – поглощается, при
толщине образца 1 мм. Отсюда следует, что поглощение излучения
происходит по всей глубине образца, в отличие от композитов тэн-Al, где
при оптимальной концентрации поглощения 0.2%по массе показатель
экстинкции keff = 200 см-1 и поглощение происходит в слое толщины 50 мкм
[3]. Были получены сигналы с пьезоакустического детектора при взрыве. На
рисунке 12-а для сравнения показаны осциллограммы с оптимальными
концентрациями включений бурого угля и включениями Al.
Из рисунка 12-а мы видим, что осциллограммы качественно мало
отличаются друг от друга по времени, то есть время процесса взрыва
определяется тэном. Однако, при рассмотрении начального участка
осциллограмм
(рисунок
12-б)
увеличении
(при
чувствительности
осциллографа), мы видим, что для образцов с включениями углей,
нарастание сигнала происходит сразу после действия лазерного импульса.
Можно предположить, что после поглощения энергии лазерного
импульса частицами происходит их нагрев и запускается экзотермическая
U, отн.ед.
1,0
x 10
x 6,43
реакция в угольных включениях, приводящая к увеличению температуры
0,040
U, отн.ед.
0,035
0,030
1a
0,025
1
0,5
0,020
2
0,015
2
R
1b
1c
0,010
t, нс
-0,1
0
2000
4000
6000
0,005
t, нс
0,000
8000
0
Рисунок 12.-а.Осциллограммы,
100
200
300
Рисунок 12-б. Осциллограммы,
регистрируемые пьезодетектором при регистрируемые пьезодетектором при
взрыве образца. 1 – тэн + 0.5 масс.%
взрыве образцов (начальный
уголь Б; 2 – тэн + 0.2 масс.% Al.
участок). 1a,b,c – тэн + 0.5 масс.%
уголь Б; 2 – тэн + 0.2 масс.% Al; R –
реперный сигнал.
17
частицы, выделению и, возможно, зажиганию летучих веществ во всем
объѐме образца, поскольку для кривых 1 нет индукционного периода, в
отличие от кривых 2. Резкий рост давления для различных образцов
начинается
во
временном
интервале
200÷300 нс,
что
связано
с
инициированием химической реакции в тэне. Для образцов с включениями
алюминия (рисунок 12-б, кривые 2) рост давления начинается через 250 нс
после воздействия лазерного импульса. Небольшой временной разброс не
превышает точности синхронизации аппаратуры. Этот результат согласуется
с представлениями о том, что энергия лазера поглощается в поверхностном
слое x = keff-1 = 50 мкм. В результате адиабатического поглощения энергии в
слое возрастает давление. Это, в свою очередь, порождает ударную волну [4],
которая достигает пьезодетектора через 250 нс.
В третьем разделе главы рассматривается зажигание смесевых составов
на
основе
бурого
угля
насыпной
плотности
и
включений
тетранитропентаэритрита (тэна) лазерным импульсом длительностью 120
мкс. Измерялась кинетика свечения пламени для смесевых составов с
различным процентным соотношением включений тэна в угле. Находилась
пороговая энергия зажигания смесевых составов в
Рисунок 13-а. Кинетика
Рисунок-13-б. Зависимость пороговой
интенсивности свечения,
энергии зажигания смесевых составов
возникающего при горении смеси с
от концентации содержания тэна-w,%
различным содержанием тэна в угле
18
зависимости от концентации содержания тэна. На рисунке 13-а показаны
кинетики
свечения
пламени
для
смесевых
составов
с
различной
концентрацией включений тэна. На рисунке 13-б показана зависимость
порога зажигания смесевого состава от концентрации включений тэна.
Измерялись спектральные характеристики пламени смесевых составов, и с
использованием
метода
спектральной
пирометрии
[4],
измерялась
температура пламени.
Рисунок 14. Зависимость температуры горения угля от концентрации
включений тэна в уголь w,%
Из полученных данных (рисунок 13 и рисунок 14), можно сделать
вывод, что при увеличении концентрации тэна до 50% по массе в смесевых
составах уголь-тэн, происходит уменьшение времени горения, понижение
пороговой энергии лазерного зажигания и увеличение температуры пламени.
Основные результаты и выводы
1. Установлено, что кинетики зажигания лазерным импульсом бурого (Б) и
длиннопламенного газового
(ДГ) углей имеют пороговый характер. При
плотностях энергии лазерного импульса Hcr(1) = 0.8 и 0.3 Дж/см2 для углей
марок Б и ДГ, соответственно, происходит нагрев поверхности. Длительность
свечения не превышает длительность лазерного импульса. При достижении
плотности энергии лазерного импульса Hcr(2) = 1.8 и 1.2 Дж/см2 для углей Б и
ДГ, соответственно, появляется пламя через ~ 1 мс после действия лазерного
импульса. Длительность горения для угля марки Б составляет временной
интервал 2÷5 мс, а для угля марки ДГ длительность горения меняется в
диапазоне 1÷1.5 мс. При плотностях энергий лазерного импульса Hcr(3) = 2.8 и
2.6 Дж/см2 для углей марок Б и ДГ, соответственно, появляется вертикальное
19
пламя над образцом через ~ 10 мс после лазерного импульса. Длительность
свечения пламени ~ 100 мс.
2. Измерены зависимости трех порогов зажигания для различных размеров
частиц для углей марок Б и ДГ. Экспериментальные кривые имеют
немонотонный характер. Пороги зажигания Hcr(2) и Hcr(3) для обеих марок
углей, достигают своего минимума для частиц с размером ~ 1 мкм.
3. Измерены спектрально кинетические характеристики свечения углей,
соответствующие
различным
порогам
зажигания.
При
воздействии
плотностью энергии, соответствующей, первому порогу зажигания H ≥ H(1)cr
спектры соответствуют свечению абсолютно черного тела с температурой
T = 3000 K. При воздействии плотностью энергии, соответствующей порогу
зажигания Hcr(2) происходит воспламенение и сгорание летучих веществ в
газовой фазе. При плотностях энергии лазерных импульсов, превышающих
Hcr(3), наряду с выше перечисленными процессами, происходит полное
зажигание угольных частиц с воспламенением коксового остатка угольных
частиц. Температура пламени горения T = 1800 K для обеих марок углей.
4. При воздействии лазерных импульсов с длительностью 14 нс обнаружено
зажигание летучих веществ для углей марок Б и ДГ. При этом кинетика
горения немонотонна. После воздействия импульса за время 10÷100 нс
разгораются
компоненты
свечения,
которые
затем
затухают
в
микросекундном диапазоне.
5. Получены зависимости порогов взрывчатого разложения Hcr смесевого
состава тэна-уголь (плотность ρ ≈ 1.7 г/см3 ) от концентраций включений
частиц
углей марок Б (размером 750 нм) и ДГ (размером 500 нм).
Минимальные пороги для обеих марок углей составляют величину ~1 Дж/см2
при концентрации включений частиц 0.5% по массе.
6. Сравнительный анализ результатов изучений взрывчатого разложения тэна
с включениями ультрадисперсных частиц Al [3] позволяет сделать вывод,
что при оптимальной концентрации в образцах с включениями Al развитие
взрыва происходит по ударно-волновому механизму [3]. В случае
20
рассмотрения смесевых составов тэн-уголь (плотность ρ ≈ 1.7 г/см3)
поглощение излучения происходит во всем объеме образца и развитие
взрыва, по-видимому, имеет адиабатический характер.
7. При увеличении концентрации включений тэна от 0% до 50% в смесевые
составы уголь-тэн насыпной плотностью ρ ≈ 0.5 г/см3 уменьшаются пороги
зажигания, уменьшается длительность пламени горения смесевого состава и
возрастает температура пламени.
Цитируемая литература
1. Пирс, Р. Отождествление молекулярных спектров /пер. англ., под ред.
С.Л.Мандельштама.,М.Н. Аленцева / Р.Пирс, А.Гейдон / М.: «Издательство
иностранной литературы», 1949. 248.С.
2. Гейдон, А. Спектроскопия и теория горения/ Пер. с англ. И. В. Вейц и Л.
В. Гурвича/А. Гейдон/М.: «Издательство иностранной литературы» -1950 305.С.
3. Адуев, Б. П. Особенности лазерного инициирования композитов на основе
ТЭНа с включениями ультрадисперсных частиц алюминия/ Б.П. Адуев, Д.Р.
Нурмухаметов , А.А.Звеков и др. // Физика горения и взрыва. – 2016. – Т.
52.- С.104-110.
4. Magunov, A.N. // Instruments and Experimental Techniques.- 2009.- V.52.№4.- pp. 451-472.
Список публикаций
1. Адуев, Б.П. Лазерное зажигание низкометаморфизованного угля/Б.П.
Адуев , Д.Р. Нурмухаметов, Н.В. Нелюбина, Р.Ю. Ковалев, А.Н.
Заостровский, З.Р. Исмагилов // Химическая физика. – 2016. – Т. 35. – № 12.
– С. 32-34.
2. Адуев, Б.П. Лазерное инициирование композитов на основе тэна и
включений субмикронных частиц углей/ Д.Р. Нурмухаметов, Н.В. Нелюбина,
Р.Ю. Ковалев, А.П. Никитин, А.Н. Заостровский, З.Р. Исмагилов // Физика
горения и взрыва.-2015. -Т. 52.- № 5.-C.108-115.
21
3. Адуев, Б.П. Лазерное зажигание смесевых составов бурого угля и
тетранитропентаэритрита/ Б.П.Адуев, Д.Р. Нурмухаметов, Р.Ю. Ковалев,
А.П. Никитин, Н.В. Нелюбина, Г.М. Белокуров // Вестник КемГУ. - 2015. - T.
3. -№ 4 (64). - С. 225-228.
4. Адуев, Б.П.
Спектрально-кинетические характеристики лазерного
зажигания пылевидного бурого угля/ Б.П.Адуев, Д.Р. Нурмухаметов, Р. Ю.
Ковалев, Я. В. Крафт, А. Н. Заостровский, А. В. Гудилин, З. P. Исмагилов //
Оптика и спектроскопия. - 2018. - Т. 126.- № 8. - С. 277-283.
5. Адуев, Б. П. Спектрально-кинетические закономерности лазерного
инициирования композитов тэна с наночастицами металлов и угля/ Б.П.
Адуев, Д.Р. Нурмухаметов, Р.Ю. Ковалев и др. // Известия ВУЗов. Физика. –
2016. – Т. 59. – № 9-2. – С. 136-139.
6.Ковалев, Р.Ю. Влияние размера частиц угольной пыли на порог лазерного
зажигания// Сборник трудов ежегодной конференции молодых ученых ФИЦ
УУХ СО РАН "Развитие - 2017". – 11 мая 2017. – Кемерово. – С. 129-137.
7. Aduev, B.P. Laser initiation of composites based on PETN and ultrafine coal
particles/ B.P. Aduev B.P., D.R. Nurmukhametov, R.Yu. Kovalev, Ya.V. Kraft,
A.N. Zaostrovskiy, Z.R. Ismagilov // Abstracts of International Congress on
Energy Fluxes and Radiation Effects. – 2-7 октября 2016. – Томск. – P. 422.
8. Kovalev, R.Yu. Influence of coal particles sizes dust on laser ignition threshold /
R.Yu. Kovalev, Y.V. Kraft, D.R. Nurmukhametov, B.P. Aduev, N.V. Nelyubina,
Z.R. Ismagilov // IX International Voevodsky Conference «Physics and Chemistry
of Elementary Chemical Processes» (VVV-100) – 2017 – P. 133.
9. Nurmuhametov, D.R. Spectral and kinetic features of glow and gaseous products
evolution from coals during irradiation with laser pulses / D.R. Nurmuhametov,
R.Yu. Kovalev, Ja.V. Kraft, B.P. Aduev, G.M. Belokurov, Z.R. Ismagilov // Book
of Abstracts of the 9 th International Seminar on Flame Structure – 2017 – P. 72.
10. Адуев, Б.П. Лазерное инициирование взрывов композитов на основе тэна
и включений субмикронных частиц угля / Б.П. Адуев, Д.Р. Нурмухаметов,
Н.В. Нелюбина, Р.Ю. Ковалев, Я.В. Крафт, З.Р. Исмагилов, А.Н.
22
Заостровский.
конференция
Экстремальные
//
Сборник
тезисов
«Харитоновские
состояния
докладов:
XΙX
тематические
вещества.
Детонация.
Международная
научные чтения.
Ударные
волны»
/
Саров:ФГУП «РФЯЦ-ВНИИЭФ» – 2017. – С. 29.
Кроме перечисленных, опубликовано 17 работ в сборниках трудов и тезисов
докладов международных и российских конференций.
23
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа