СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ДЕТОНЦИОННОЙ СПОСОБНОСТИ ГАЗООБРАЗНЫХ И ДИСПЕРГИРОВАННЫХ КОНДЕНСИРОВАННЫХ ГОРЮЧИХ МАТЕРИАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2020 года по МПК G01N33/22 

Область техники

Изобретение относится к способам и устройствам для определения относительной детонационной способности газообразных и диспергированных конденсированных горючих материалов в смесях с воздухом или другими окислителями (например, кислородом, фтором, закисью азота и др.). Под относительной детонационной способностью горючей смеси обычно понимают способность смеси заданного состава поддерживать распространение стационарной детонационной волны в тех или иных термодинамических (например, по давлению и температуре) и газодинамических (например, по уровню турбулентности) условиях по сравнению с горючей смесью, выбранной в качестве эталона, в сходных условиях. В некоторых областях техники, например в поршневом двигателестроении под относительной детонационной способностью горючей смеси понимают ее способность к горению со взрывными явлениями (например, со «стуком»), а в качестве эталонных горючих принимают нормальный гептан и изо-октан.

Относительная детонационная способность газообразных и диспергированных конденсированных (жидких и твердых) горючих материалов - одна из важнейших характеристик, определяющих их взрывоопасность, а также перспективы их применения в двигателях, работающих на термодинамическом цикле Зельдовича с детонационным горением топлива (Фролов С.М., Барыкин А.Е., Борисов А.А. Термодинамический цикл с детонационным сжиганием топлива. Химическая физика, 2004, том 23, №3, с. 17-25). Относительную детонационную способность горючих материалов в смесях с окислительным газом обычно определяют по размеру детонационной ячейки, энергии прямого инициирования сферической детонации, критическому диаметру перепуска детонации из трубы в неограниченный объем, по предельному диаметру распространения детонации в прямой трубе с гладкими стенками или по расстоянию перехода горения в детонацию в прямой трубе: чем больше размер детонационной ячейки, энергия прямого инициирования, критический и предельный диаметр труб, а также расстояние перехода горения в детонацию, тем меньшей относительной детонационной способностью обладают такие смеси. В поршневом двигателестроении относительная детонационная способность горючей смеси оценивается по ее октановому числу - объемной доле изооктана в эталонной бинарной воздушной смеси нормального гептана и изооктана.

Важно отметить, что все перечисленные выше способы для оценки относительной детонационной способности горючих смесей основаны исключительно на эксперименте: современный уровень развития теории детонации пока не позволяет достоверно оценивать относительную детонационную способность горючих смесей в разных условиях на основе каких-либо однозначных научно обоснованных критериев.

Предшествующий уровень техники

Известны способ и устройство для определения относительной детонационной способности горючих смесей, рассмотренные, например, в статье Bull, D.С., Elsvorth, J.Е., Shuff, P.J. and Metcalfe, E. (1982) Detonation cell structures in fuel/air mixtures, Comb, and Flame, 45, 7. Способ заключается в определении размеров ячейки многофронтовой детонации: чем больше размер детонационной ячейки, тем меньшую относительную детонационную способность имеет смесь данного горючего с окислителем. Способ включает подготовку смеси исследуемого горючего с окислителем, установку в выходном сечении детонационной трубы вкладыша с нанесенным на его поверхность (обращенную внутрь детонационной трубы) слоя сажи методом копчения, заполнение детонационной трубы подготовленной смесью, прямое инициирование детонации сильным источником энергии, извлечение вкладыша и измерение среднего размера детонационной ячейки на следовом отпечатке траекторий тройных точек при распространении многофоронтовой детонации. Устройство содержит систему подготовки горючей смеси, систему подачи подготовленной горючей смеси в детонационную трубу, систему инициирования детонации и сменный тонколистовой вкладыш с нанесенным на его поверхность слоем сажи.

Известны способ и устройство для определения относительной детонационной способности горючих смесей по критической энергии инициирования сферической детонации, рассмотренные, например, в книге Lee J. Н. S. The detonation phenomenon. N.Y., The Cambridge University Press, 2008. Способ заключается в определении критического значения энергии инициирования сферической детонации: чем больше энергия источника, обеспечивающего инициирование, тем меньшую относительную детонационную способность имеет смесь данного горючего с окислителем. Способ включает подготовку смеси исследуемого горючего с окислителем, подготовку инициатора детонации, заполнение реакционного объема подготовленной горючей смесью, прямое инициирование детонации сильным источником энергии, фотофиксацию процесса при помощи Шлирен-метода и определение скорости сферической детонационной волны по последовательности фотокадров процесса. Устройство содержит реакционный объем, снабженный оптически прозрачными щелевыми окнами, систему подготовки горючей смеси, систему подачи подготовленной горючей смеси в реакционный объем, систему инициирования детонации и систему фотофиксации процесса при помощи Шлирен-метода.

Известны способ и устройство для определения относительной детонационной способности горючих смесей по критической энергии инициирования плоской детонационной волны в прямой трубе, описанные в статье Борисова А.А. Инициирование детонации в газовых и двухфазных смесях в кн. «Импульсные детонационные двигатели» под. общ. ред. С.М. Фролова. Москва: ТОРУС ПРЕСС, 2006, с. 159-186 и в статье Борисова А.А., Лобаня С.А. Пределы детонации углеводородовоздушных смесей в трубах // Физика горения взрыва, 1977, №5, с. 729. Способ заключается в определении критического значения энергии инициирования плоской детонационной волны: чем больше энергия инициирования, тем меньшую относительную детонационную способность имеет смесь данного горючего с окислителем. Способ включает подготовку смеси исследуемого горючего с окислителем, подготовку инициатора детонации, заполнение детонационной трубы подготовленной горючей смесью, прямое инициирование детонации сильным источником энергии, измерение параметров детонационной волны при помощи кольцевых ионизационных датчиков и контроль наличия детонации посредством торцевых следовых отпечатков. Устройство содержит непроточную детонационную трубу, по длине которой установлены кольцевые ионизационные датчики, а на одном из торцов размещается вкладыш с нанесенным на его поверхность слоем сажи. Устройство также содержит систему подготовки горючей смеси и ее подачи в непроточную детонационную трубу.

Известны способ и устройство по определению относительной детонационной способности горючих смесей по критическому диаметру перепуска детонации из трубы в неограниченный объем, рассмотренный в работе Митрофанова В.В., Солоухина Р.И. О дифракции многофронтовой детонационной волны // Доклады АН СССР, 1964, т. 159, №5, с. 1003-1006. Способ заключается в определении критического значения диаметра трубки перепуска детонации в неограниченный объем: чем больше диаметр трубки, тем меньшую относительную детонационную способность имеет смесь данного горючего с окислителем. Способ включает подготовку смеси исследуемого горючего с окислителем, подготовку инициатора детонации, заполнение установки подготовленной горючей смесью, инициирование детонации, фотофиксацию процесса при помощи Шлирен-метода и определение скорости детонационной волны по последовательности фотокадров процесса. Устройство содержит сменную детонационную трубу и ресивер большого объема, присоединенный к детонационной трубе. Ресивер снабжен оптически прозрачными щелевыми окнами. Устройство также включает систему подготовки горючей смеси, систему подачи подготовленной горючей смеси в детонационный объем, систему инициирования детонации и систему фотофиксации процесса при помощи Шлирен-метода.

Известен способ по определению относительной детонационной способности горючих смесей, предложенный в работе Гельфанда Б.Е., Фролова С.М. О предельном диаметре распространения газовой детонации в трубах // Доклады АН СССР, 1990, т. 312, №5, с. 1177-1180. Способ заключается в определении предельного диаметра распространения детонации в прямой трубе с гладкими стенками: чем больше предельный диаметр трубки, тем меньшую относительную детонационную способность имеет смесь данного горючего с окислителем.

Известны способы и устройства для оценки детонационной способности топлива для двигателей внутреннего сгорания, подробно описанные в государственных стандартах ГОСТ 511-82 «Топлива для двигателей. Моторный метод определения октанового числа» и ГОСТ 8226-82 (СТ СЭВ 2183-80) «Топлива для двигателей. Исследовательский метод определения октанового числа». Способ заключается в определении состава эталонного топлива, которое представляет собой смесь изооктана и н-гептана, детонирующего в тех же условиях, что и тестируемое моторное топливо. Согласно данным способам показателем относительной детонационной способности моторных топлив является октановое число, которое численно равно объемному содержанию изооктана в его смеси с н-гептаном. Устройства, реализующие данные способы, представляют собой одноцилиндровый двигатель УИТ-85 или УИТ-65. Моторный метод позволяет оценить относительную детонационную способность моторного топлива при максимальной мощности двигателя внутреннего сгорания. Условия проведения оценки детонационной способности: частота вращения коленчатого вала 900 мин^-1, температура горючей смеси 149°С, угол опережения зажигания переменный. Исследовательский метод позволяет оценить относительную детонационную способность моторного топлива при частичных нагрузках. Условия проведения опытов для оценки детонационной способности: частота вращения коленчатого вала 600 мин^-1, температура горючей смеси 52°С, угол опережения зажигания 13°.

Наиболее близким по существу предлагаемого изобретения являются способ и устройство по определению относительной детонационной способности горючих смесей по расстоянию перехода горения в детонацию в прямой трубе, предложенный в работах Соколика А.С., Щелкина К.И. Распространение пламени в смесях метана с кислородом в закрытых трубах // Журнал физической химии. 1933, т. 4, №1, с. 109-128 и Соколика А.С., Щелкина К.И. Детонационная способность кислородных смесей углеводородов жирного ряда и ароматических // Журнал физической химии. 1933, т. 4, №2, с. 129-131.

Способ-прототип включает подачу горючей смеси, заполнение непроточной детонационной трубы горючей смесью, зажигание горючей смеси слабым источником энергии, ускорение пламени на турбулизирующих препятствиях с образованием ударной волны, бегущей перед ускоряющимся пламенем, очаговое самовоспламенение ударно-сжатой горючей смеси с последующим переходом горения в детонацию, регистрацию факта перехода горения в детонацию и оценку относительной детонационной способности по сравнению с эталонной горючей смесью. Устройство-прототип включает непроточную детонационную трубу с турбулизирующими препятствиями, выполненными в виде спирали Щелкина для ускорения пламени, систему подачи горючей смеси, систему зажигания со слабым источником энергии, систему регистрации факта перехода горения в детонацию и систему управления. Предложенные способ и устройство имеет следующие недостатки: 1) перехода горения в детонацию в прямой детонационной трубе заданных размеров с турбулизирующими препятствиями в виде спирали Щелкина для многих горючих смесей может не быть, тогда вопрос об относительной детонационной способности таких смесей надо решать другими способами, при других начальных давлениях и температурах или используя трубы других размеров и другие турбулизирующие препятствия; 2) использование предварительно подготовленной горючей смеси из соображений безопасности не позволяет оценить влияние начальной температуры горючей смеси на ее относительную детонационную способность.

Устранить перечисленные выше недостатки можно, используя концепцию быстрого перехода горения в детонацию, предложенную в статье Фролова С.М. Быстрый переход горения в детонацию // Химическая физика, 2008, т. 27, №6, с. 31-44.

Добавим, что все перечисленные выше способы и устройства обладают общими недостатками. Во-первых, экспериментальное определение размера детонационной ячейки, энергии прямого инициирования сферической детонации, критического диаметра перепуска детонации из трубы в неограниченный объем, предельного диаметра распространения детонации в прямой трубе с гладкими стенками, а также расстояния перехода горения в детонацию в прямой трубе даже для газовых смесей сопряжено с огромными трудностями и с большими погрешностями измерений. Трудности обусловлены необходимостью использования сильных источников инициирования (взрывчатых веществ весом до 100 г и выше, мощных электрических разрядов и др.), детонационных труб разных размеров и др. Большие погрешности измерений обусловлены существенно неравномерной ячеистой структурой многофронтовой детонации газовых смесей (для одной и той же смеси при одних и тех же условиях размер ячейки может различаться в несколько раз) и критическим характером явлений инициирования сферической детонации, перепуска детонации из трубы в неограниченный объем, распространения детонации в гладких трубах околопредельного диаметра, а также перехода горения в детонацию. Во-вторых, оценивать детонационную способность двухфазных смесей с диспергированными жидкими и/или твердыми горючими материалами, содержащими жидкое и/или твердое горючее в виде мелкодисперсных капель и/или частиц, еще сложнее: ячеистая структура детонации в двухфазных смесях наблюдается только при очень малых размерах капель и частиц (на уровне 10 мкм и меньше), а критическая энергия инициирования сферической детонации зависит от содержания паровой фазы в двухфазной смеси, т.е. зависит от временной задержки между созданием облака горючей смеси и инициированием детонации. В-третьих, если ко всему этому добавить зависимость детонационной способности от термодинамических условий (значений давления и температуры, отличающихся от нормальных), а также от газодинамических условий (ненулевой скорости течения смеси, турбулентности, неоднородности состава смеси и др.), то всеобъемлющее решение проблемы оценки детонационной способности горючих смесей с помощью описанных выше способов и устройств нереально.

Раскрытие изобретения

Задача изобретения - создание способа определения относительной детонационной способности газообразных и диспергированных конденсированных горючих материалов на основании измеренных значений времени перехода горения в детонацию, который обеспечит высокую точность и технологичность определения относительной детонационной способности различных газообразных и диспергированных конденсированных горючих материалов в различных термодинамических и газодинамических условиях по сравнению с эталонным горючим материалом.

Задача изобретения - создание устройства для осуществления способа определения относительной детонационной способности газообразных и диспергированных конденсированных горючих материалов на основании измеренных значений времени перехода горения в детонацию, который обеспечит высокую точность и технологичность определения относительной детонационной способности различных газообразных и диспергированных конденсированных горючих материалов в различных термодинамических и газодинамических условиях по сравнению с эталонным горючим материалом в тех же условиях.

Решение поставленной задачи достигается предлагаемыми:

- способом, включающим подачу горючей смеси, заполнение детонационной трубы горючей смесью, зажигание горючей смеси слабым источником энергии, ускорение пламени на турбулизирующих препятствиях с образованием ударной волны, бегущей перед ускоряющимся пламенем, очаговое самовоспламенение ударно-сжатой горючей смеси с последующим переходом горения в детонацию, регистрацию факта перехода горения в детонацию и оценку относительной детонационной способности по сравнению с эталонной горючей смесью, в котором компоненты горючей смеси могут подаваться раздельно в виде газов и/или диспергированных конденсированных горючих материалов и заполнять детонационную трубу, создавая в ней течение горючей смеси с заданными термодинамическими и газодинамическими параметрами, причем зажигание горючей смеси слабым источником энергии происходит циклически, а факт перехода горения в детонацию регистрируется в каждом цикле по времени перехода горения в детонацию, причем для обеспечения одинакового расстояния перехода горения в детонацию для различных горючих смесей используется явление фокусировки ударной волны, бегущей перед ускоряющимся пламенем, а относительная детонационная способность горючей смеси оценивается сравнением среднего времени перехода горения в детонацию, определенного по нескольким циклам, с таковым для эталонной горючей смеси, причем количество циклов должно быть достаточным для статистической достоверности получаемого результата.

Эталонная горючая смесь предпочтительно основана на однокомпонентном горючем газе и характеризуется кратчайшим средним временем перехода горения в детонацию и широкими концентрационными пределами перехода горения в детонацию.

- устройством, содержащим детонационную трубу с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени, систему подачи горючей смеси, систему зажигания со слабым источником энергии, систему регистрации факта перехода горения в детонацию и систему управления, в котором детонационная труба выполнена в виде проточной детонационной трубы с одним открытым концом, содержащей последовательно установленные камеру сгорания с системой подачи горючей смеси и со слабым источником зажигания, установленным на торцевой стенке, секцию с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени, секцию без турбулизирующих препятствий, секцию фокусировки ударной волны, секцию для измерения параметров детонационных волн и секцию непрерывного отвода продуктов горения и детонации в окружающую среду через открытый конец проточной детонационной трубы, причем в камере сгорания выполнены каналы для подачи горючей смеси или компонентов горючей смеси, а сама камера сгорания соединена через суживающе-расширяющееся сопло с секцией с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени, причем система регистрации факта перехода горения в детонацию предпочтительно включает ионизационные зонды и высокочастотные датчики давления, установленные по всей длине проточной детонационной трубы с предпочтительно постоянным шагом, причем в каждом сечении установлены и ионизационный зонд, и высокочастотный датчик давления.

Горючая смесь может формироваться непосредственно в камере сгорания или в проточном смесителе, присоединенном к камере сгорания, или в ресивере.

Перед подачей в проточную детонационную трубу компоненты горючей смеси или горючая смесь могут подогреваться любым известным способом.

Каналы для подачи горючей смеси или компонентов горючей смеси предпочтительно выполнены в виде тангенциальных каналов, обеспечивающих вихревое течение в камере сгорания.

Проточная детонационная труба может быть снабжена системой нагрева и термостатирования для моделирования термодинамических и газодинамических параметров течения горючей смеси с повышенной температурой.

Секция с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени может иметь любую известную конструкцию, обеспечивающую надежное ускорение пламени с образованием ударной волны, бегущей перед ускоряющимся пламенем, предпочтительно с турбулизирующими препятствиями в виде спирали Щелкина.

Секция фокусировки ударной волны может иметь любую известную конструкцию, обеспечивающую надежное очаговое самовоспламенение ударно-сжатой горючей смеси с последующим переходом горения в детонацию, предпочтительно в виде нескольких витков трубы.

Открытый конец проточной детонационной трубы может сообщаться с атмосферой или с барокамерой для моделирования термодинамических и газодинамических параметров течения горючей смеси в условиях пониженного или повышенного давления.

Система регистрации факта перехода горения в детонацию может включать любые известные диагностические средства для измерения параметров пламени, а также ударных и детонационных волн.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 приведена схема заявляемого устройства: 1 - проточная детонационная труба; 2 - камера сгорания; 3 - система подачи компонентов горючей смеси и/или предварительно подготовленной горючей смеси; 4 - слабый источник зажигания; 5 - секция с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени; 6 - секция без турбулизирующих препятствий; 7 - секция фокусировки ударной волны; 8 - секция для измерения параметров детонационных волн; 9 - секция отвода продуктов горения и детонации; 10 - суживающе-расширяющееся сопло; 11 - высокочастотные датчики давления и ионизационные зонды; 12 - система зажигания; 13 - система регистрации факта перехода горения в детонацию; 14 - система управления.

На фиг. 2 приведены зависимости измеренного времени перехода горения в детонацию (t_DDT) от коэффициента избытка горючего (φ) в воздушных смесях разных горючих газов: - водород; - ацетилен; - этилен; - пропилен; - пропан-бутан; - природный газ; - пентан.

Осуществление изобретения

На фиг. 1 приведена схема устройства для осуществления предлагаемого способа.

Устройство включает проточную детонационную трубу (1), систему подачи компонентов горючей смеси и/или предварительно подготовленной горючей смеси (3), систему зажигания (12), систему регистрации факта перехода горения в детонацию (13) и систему управления (14). Проточная детонационная труба (1) содержит последовательно расположенные: камеру сгорания (2) со слабым источником зажигания (4), секцию с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени (5), секцию без турбулизирующих препятствий (6), секцию фокусировки ударной волны (7), секцию для измерения параметров детонационных волн (8) и секцию отвода продуктов горения и детонации (9). В каждой секции проточной детонационной трубы (1), кроме секции отвода продуктов горения и детонации (9) установлены высокочастотные датчики давления и ионизационные зонды (11). Камера сгорания (2) соединена суживающе-расширяющимся соплом (10) с секцией с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени (5).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Заявляемое устройство (фиг. 1) работает в циклическом режиме с частотой циклов, задаваемой системой управления (14). Работа устройства начинается по команде системы управления (14) с включения системы подачи газообразных и/или диспергированных конденсированных горючих материалов и газообразного окислителя (3). Далее, проточная детонационная труба (1) заполняется горючей смесью. Длительность процесса заполнения подбирается по расходу горючей смеси так, чтобы подаваемый в проточную детонационную трубу (1) объем горючей смеси был больше объема проточной детонационной трубы (1). В процессе заполнения в проточной детонационной трубе (1) создается течение горючей смеси с термодинамическими и газодинамическими параметрами, определяемыми расходом горючей смеси, ее температурой, тепловым состоянием стенок проточной детонационной трубы (1) и давлением на открытом конце проточной детонационной трубы (1). По окончании процесса заполнения срабатывает система зажигания (12) и кратковременно прекращается подача газообразного окислителя и горючего материала в камеру сгорания (2). После зажигания слабым источником зажигания (4) горючая смесь в камере сгорания (2) воспламеняется, а образованное пламя с высокой видимой скоростью, вызванной суживающе-расширяющимся соплом (10), проникает в секцию с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени (5) и ускоряется в этой секции с образованием ударной волны, бегущей перед ускоряющимся пламенем. При выходе ударной волны из секции с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени (5) в секцию без турбулизирующих препятствий (6), расстояние между ударной волной и пламенем увеличивается. Затем ударная волна входит в секцию фокусировки ударной волны (7), в которой происходит ее газодинамическая фокусировка с образованием очагов самовоспламенения в ударно-сжатой горючей смеси и переход горения в детонацию по механизму, предложенному в статье Фролова С.М. (Frolov, S. М. 2006. Initiation of strong reactive shocks and detonation by traveling ignition pulses. J. Loss Pre- vent. Proc. 19(2-3):238-244). При этом пламя, следующее за ударной волной, не препятствует переходу горения в детонацию, поскольку очаги самовоспламенения возникают до прихода пламени в секцию фокусировки ударной волны (7). Далее, образованная детонационная волна проходит секцию для измерения параметров детонационной волны (8) и секцию отвода продуктов горения и детонации (9), а продукты горения и детонации отводятся в окружающую среду. Затем подача газообразного окислителя или горючего материала в проточную детонационную трубу (1) возобновляется. Пауза в подаче газообразного окислителя или горючего материала предусмотрена для того, чтобы обеспечить «пробку» из горючего материала или газообразного окислителя между новой порцией свежей горючей смеси и продуктами горения и детонации предыдущего цикла. После этого весь процесс повторяется.

В каждом цикле работы заявляемого устройства факт перехода горения в детонацию регистрируется по показаниям ионизационных зондов и высокочастотных датчиков давления (11), установленных по всей длине проточной детонационной трубы (1). По записям ионизационных зондов и высокочастотных датчиков давления (11) рассчитываются скорость пламени (по записям ионизационных зондов) и скорость ударной волны (по записям высокочастотных датчиков давления), и строятся диаграммы «расстояние - время» и «скорость - расстояние» развития процесса. Относительная детонационная способность горючей смеси оценивается по среднему времени перехода горения в детонацию, определенному по нескольким циклам, при условии, что во всех циклах в секции для измерения параметров детонационной волны (8) зарегистрировано распространение самоподдерживающейся детонации. Под самоподдерживающейся детонацией понимается стационарно распространяющийся сверхзвуковой взрывной процесс, скорость которого в секции (8) постоянна, а фронты ударной волны и пламени совпадают. Количество циклов должно быть достаточным для статистической достоверности получаемого результата.

Приводим пример осуществления изобретения на опытном образце предлагаемого устройства, оснащенного регистрирующей аппаратурой.

Устройство представляет собой проточную детонационную трубу, оснащенную системами управления, подачи горючей смеси, зажигания и измерения. Проточная детонационная труба включает камеру сгорания (диаметр 70 мм, длина 200 мм), секцию с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени, выполненными в виде спирали Щелкина (параметры спирали: стальная проволока толщиной 6 мм, навитая с шагом 24 мм, длина 900 мм, наружный диаметр 50 мм), секцию без турбулизирующих препятствий (длина 160 мм), секцию фокусировки ударной волны в виде двух витков трубы (параметры витков: наружный диаметр 136 мм, внутренний диаметр 36 мм, шаг 220 мм), секцию для измерений параметров детонационной волны (длина 1060 мм) и секцию отвода продуктов горения и детонации (длина 1790 мм). Диаметр всех секций проточной детонационной трубы равен 50 мм. По всей длине проточной детонационной трубы в одних и тех же сечениях установлены ионизационные зонды и высокочастотные датчики давления РСВ 113 В24. Точность определения местоположения пламени с помощью ионизационных зондов составляет ±2 мм. Точность определения местоположения ударной волны с помощью высокочастотных датчиков составляет ±6 мм. Система регистрации (13) обеспечивает измерение тока ионизации с помощью ионизационных зондов и давления с помощью высокочастотных датчиков давления с частотой не менее 300 кГц, а погрешность измерения временных интервалов составляет не более 1%.

Предложенный способ оценки относительной детонационной способности горючих смесей использован для ранжирования газовых горючих смесей по их детонационной способности в существенно одинаковых термодинамических и газодинамических условиях. В экспериментах использованы воздушные горючие смеси на основе водорода (H₂), ацетилена (С₂Н₂), этилена (С₂Н₄), пропилена (С₃Н₆), пропан-бутана (С₃Н₈+C₄H₁₀), н-пентана (С₅Н₁₂) и природного газа (СН₄) разных составов: от предельно обедненных до предельно обогащенных горючим при нормальных значениях температуры и давления. Время, необходимое для получения статистически достоверных данных по относительной детонационной способности горючей смеси того или иного состава, не превышало 60 с, причем при смене горючего газа требовалось лишь заменить газовые баллоны без каких-либо дополнительных операций.

Полученные результаты обобщены на фиг. 2, где показаны зависимости измеренного среднего времени перехода горения в детонацию от коэффициента избытка горючего в воздушных смесях разных горючих газов (разные кривые и символы соответствуют разным горючим газам). Абсолютное значение среднего времени перехода горения в детонацию изменяется от ~2 мс до ~ 26 мс, т.е. в 13 раз. Все кривые на фиг. 2 имеют U-образную форму с ярко выраженными минимумами для составов, обогащенных горючим. «Хвосты» U-образных кривых на концентрационных пределах детонации резко уходят вверх, особенно на нижнем пределе. При этом кривые, расположенные выше, вложены в кривые, расположенные ниже, т.е. для верхних кривых границы существования детонации уже, чем для нижних. При любом заданном коэффициенте избытка горючего наименьшим средним временем перехода горения в детонацию обладают водородные горючие смеси, а наибольшим - горючие смеси на основе метана.

Опираясь на данные фиг. 2, можно оценить относительную детонационную способность всех исследованных горючих смесей, используя среднее время перехода горения в детонацию и выбрав в качестве эталона стехиометрическую водородно-воздушную смесь: Н₂>С₂Н₂>С₂Н₄>C₃H₆>С₅Н₁₂>(С₃Н₈+С₄Н₁₀)>CH₄, где знак «>» указывает на направление снижения относительной детонационной способности.

Таким образом, предложенные способ и устройство для определения относительной детонационной способности газообразных и диспергированных конденсированных горючих материалов на основании измеренных значений времени перехода горения в детонацию обеспечивают высокую точность и технологичность определения относительной детонационной способности различных газообразных и диспергированных конденсированных горючих материалов в различных термодинамических и газодинамических условиях по сравнению с эталонным горючим материалом.

Изобретение относится к способам и устройствам для определения относительной детонационной способности газообразных и жидких горючих материалов. Способ определения относительной детонационной способности газообразных и диспергированных конденсированных горючих материалов включает подачу горючей смеси, заполнение детонационной трубы горючей смесью, зажигание горючей смеси слабым источником энергии, ускорение пламени на турбулизирующих препятствиях с образованием ударной волны, бегущей перед ускоряющимся пламенем, очаговое самовоспламенение ударно-сжатой горючей смеси с последующим переходом горения в детонацию, регистрацию факта перехода горения в детонацию и оценку относительной детонационной способности по сравнению с эталонной горючей смесью, при этом компоненты горючей смеси могут подаваться раздельно в виде газов и/или диспергированных конденсированных горючих материалов и заполнять детонационную трубу, создавая в ней течение горючей смеси с заданными термодинамическими и газодинамическими параметрами, причем зажигание горючей смеси слабым источником энергии происходит циклически, а факт перехода горения в детонацию регистрируется в каждом цикле по времени перехода горения в детонацию, причем для обеспечения одинакового расстояния перехода горения в детонацию для различных горючих смесей используется явление фокусировки ударной волны, бегущей перед ускоряющимся пламенем, а относительная детонационная способность горючей смеси оценивается сравнением среднего времени перехода горения в детонацию, определенного по нескольким циклам, с таковым для эталонной горючей смеси, причем количество циклов должно быть достаточным для статистической достоверности получаемого результата. Техническим результатом является увеличение точности детонационной способности различных газообразных и диспергированных конденсированных горючих материалов. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ определения относительной детонационной способности газообразных и диспергированных конденсированных горючих материалов, включающий подачу горючей смеси, заполнение детонационной трубы горючей смесью, зажигание горючей смеси слабым источником энергии, ускорение пламени на турбулизирующих препятствиях с образованием ударной волны, бегущей перед ускоряющимся пламенем, очаговое самовоспламенение ударно-сжатой горючей смеси с последующим переходом горения в детонацию, регистрацию факта перехода горения в детонацию и оценку относительной детонационной способности по сравнению с эталонной горючей смесью, отличающийся тем, что компоненты горючей смеси могут подаваться раздельно в виде газов и/или диспергированных конденсированных горючих материалов и заполнять детонационную трубу, создавая в ней течение горючей смеси с заданными термодинамическими и газодинамическими параметрами, причем зажигание горючей смеси слабым источником энергии происходит циклически, а факт перехода горения в детонацию регистрируется в каждом цикле по времени перехода горения в детонацию, причем для обеспечения одинакового расстояния перехода горения в детонацию для различных горючих смесей используется явление фокусировки ударной волны, бегущей перед ускоряющимся пламенем, а относительная детонационная способность горючей смеси оценивается сравнением среднего времени перехода горения в детонацию, определенного по нескольким циклам, с таковым для эталонной горючей смеси, причем количество циклов должно быть достаточным для статистической достоверности получаемого результата.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что горючая смесь предпочтительно основана на однокомпонентном горючем газе и характеризуется кратчайшим средним временем перехода горения в детонацию и широкими концентрационными пределами перехода горения в детонацию.

3. Устройство для определения относительной детонационной способности газообразных и диспергированных конденсированных горючих материалов, содержащее детонационную трубу с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени, систему подачи горючей смеси, систему зажигания со слабым источником энергии, систему регистрации факта перехода горения в детонацию и систему управления, отличающееся тем, что детонационная труба выполнена в виде проточной детонационной трубы с одним открытым концом, содержащей последовательно установленные камеру сгорания с системой подачи горючей смеси и со слабым источником зажигания, установленным на торцевой стенке, секцию с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени, секцию без турбулизирующих препятствий, секцию фокусировки ударной волны, секцию для измерения параметров детонационных волн и секцию непрерывного отвода продуктов горения и детонации в окружающую среду через открытый конец проточной детонационной трубы, причем в камере сгорания выполнены каналы для подачи горючей смеси или компонентов горючей смеси, а сама камера сгорания соединена через суживающе-расширяющееся сопло с секцией с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени, причем система регистрации факта перехода горения в детонацию предпочтительно включает ионизационные зонды и высокочастотные датчики давления, установленные по всей длине проточной детонационной трубы с предпочтительно постоянным шагом, причем в каждом сечении установлены и ионизационный зонд, и высокочастотный датчик давления.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что горючая смесь может формироваться непосредственно в камере сгорания или в проточном смесителе, присоединенном к камере сгорания, или в ресивере.

5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что перед подачей в проточную детонационную трубу компоненты горючей смеси или горючая смесь могут подогреваться любым известным способом.

6. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что каналы для подачи горючей смеси или компонентов горючей смеси предпочтительно выполнены в виде тангенциальных каналов, обеспечивающих вихревое течение в камере сгорания.

7. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что проточная детонационная труба может быть снабжена системой нагрева и термостатирования для моделирования термодинамических и газодинамических параметров течения горючей смеси с повышенной температурой.

8. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что секция с турбулизирующими препятствиями для ускорения пламени может иметь любую известную конструкцию, обеспечивающую надежное ускорение пламени с образованием ударной волны, бегущей перед ускоряющимся пламенем, предпочтительно с турбулизирующими препятствиями в виде спирали Щелкина.

9. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что секция фокусировки ударной волны может иметь любую известную конструкцию, обеспечивающую надежное очаговое самовоспламенение ударно-сжатой горючей смеси с последующим переходом горения в детонацию, предпочтительно в виде нескольких витков трубы.

10. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что открытый конец проточной детонационной трубы может сообщаться с атмосферой или с барокамерой для моделирования термодинамических и газодинамических параметров течения горючей смеси в условиях пониженного или повышенного давления.

11. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что система регистрации факта перехода горения в детонацию может включать любые известные диагностические средства для измерения параметров пламени, а также ударных и детонационных волн.