Использование высокоскоростной оптической многомерной методики для установления особенностей воспламенения и горения смеси 40% H2 – воздух в присутствии металлической платины


Просмотр статьи
PDF, 1,5 МБ

High Speed Multidimensional Optical Complex in Research of ignition and combustion features of 40% H2 – air mix in the presence of platinum

The cellular mode of combustion of 40% H2 – air mix in the presence of a platinum wire or a Pt foil in the range of 270-350 C at 1 atm is observed for the first time. The combustion cells caused by catalytic instability are experimentally detected by means of both a color high-speed filming and 4D optical spectroscopy method, which allows registering intensity of an optical spectrum depending on a wavelength, time and a coordinate. It is established that the cellular mode is determined by catalytic combustion of hydrogen on Pt - containing particles, which occur at the decomposition of unstable platinum oxide in the gas phase. It is shown that the temperature dependence of ignition delays of hydrogen in the presence of Pt wire and Pt foil both in motionless, and in the rotating gas corresponds to an effective activation energy 19±3 kcal/mol close to activation energy of chain branching of hydrogen oxidation. The impurity origin of the 552 nm emission band, which is often observed in combustion processes, is established.`

combustion, cellular mode, platinum wire, 4D optical spectroscopy (hyperspectro¬meter), color speed cinematography

Николай Михайлович Рубцов, Алексей Николаевич Виноградов, Александр Петрович Калинин, Алексей Игоревич Родионов, Игорь Дмитриевич Родионов, Кирилл Яковлевич Трошин, Георгий Игоревич Цветков, Виктор Иосифович Черныш

Том 17, выпуск 1, 2016 год



Обнаружен ячеистый режим горения 40%-й смеси водорода с воздухом в присутствии платиновой проволоки и фольги в интервале 270-350 C при атмосферном давлении. С помощью методов 3D и 4D оптической спектроскопии, позволяющей регистрировать интенсивность оптического спектра одновременно в зависимости от длины волны, времени и координаты, и цветной скоростной киносъемки впервые экспериментально обнаружены ячейки горения, вызванные каталитической неустойчивостью. Установлено, что ячеистый режим определяется каталитическим горением водорода на Pt - содержащих частицах, образующихся при разложении неустойчивого оксида платины в газовой фазе. Показано, что температурная зависимость задержек воспламенения водорода на платиновой проволокой и фольгой как в неподвижном, так и во вращающемся газе соответствует энергии активации 19±3 ккал/моль, близкой к энергии активации разветвления реакционных цепей окисления водорода. Установлено примесное происхождение излучательной полосы 552 нм, часто регистрируемой при горении газовых и гетерогенных смесей.

горение, ячеистый режим, платиновая проволока, гиперспектрометр, цветная скоростная видеокамера

Николай Михайлович Рубцов, Алексей Николаевич Виноградов, Александр Петрович Калинин, Алексей Игоревич Родионов, Игорь Дмитриевич Родионов, Кирилл Яковлевич Трошин, Георгий Игоревич Цветков, Виктор Иосифович Черныш

Том 17, выпуск 1, 2016 год



1. C. Appel, J. Mantsaras, R. Schaeren, R. Bombach, and A. Inauen, Catalytic combustion of hydrogen – air mixtures over platinum: validation of hetero-homogeneous reaction schemes, 2004, Clean Air, 5, pp. 21–44.
2. J.C. Chaston, Reaction of Oxygen with the Platinum Metals. The oxidation of platinum, Platinum Metals Rev., 1964, 8, (2), pp. 50‒54
3. Nikolai M. Rubtsov, Boris S. Seplyarskii, Kirill Ya. Troshin, Victor I. Chernysh and Georgii I. Tsvetkov, Investigation into spontaneous ignition of hydrogen–air mixtures in a heated reactor at atmospheric pressure by high-speed cinematography, Mendeleev Commun., 2012, 22, pp. 222‒224.
4. Perry, D.L. (1995). Handbook of Inorganic Compounds. CRC Press. Pp. 296–298. ISBN 0-8493-8671-3.
5. Lagowski, J.J., ed. (2004). Chemistry Foundations and Applications 3. Thomson Gale. Pp. 267–268. ISBN 0-02-865724-1.
6. Ya.B. Zel’dovich, G.I. Barenblatt, V.B. Librovich and G.M. Machviladze, Matematicheskaya teoriya goreniya i vzryva (Mathematical Theory of Combustion and Explosion), Nauka, Moscow, 1980 (in Russian).
7. A.A. Borisov, N.M. Rubtsov, G.I. Skachkov, K.Ya. Troshin, Gas Phase Spontaneous Ignition of Hydrocarbons, 2012, Khimicheskaya Fizika, 2012, 31, N8, 30–36. [Engl. transl. Russian Journal of Physical Chemistry B, 2012, 6, 517].
8. A.A. Borisov, V.G. Knorre, E.L. Kudrjashova and K.Ya. Troshin, Khim.Fiz., 1998, 17, 80 [Chem. Phys. Rep. (Engl. Transl.), 1998, 17, 105].
9. Nikolai M. Rubtsov, Boris S. Seplyarskii, Kirill Ya. Troshin,* Georgii I. Tsvetkov and Victor I. Chernysh, High-speed colour cinematography of the spontaneous ignition of propane–air and n-pentane–air mixtures, Mendeleev Commun., 2011, 21, pp. 31‒33.
10. Ahmed E.E. Khalil and Ashwani K. Gupta, Dual Injection distributed Combustion for Gas Turbine application, J. Energy Resources Technol., 2013, 136, 011601.
11. Ahmed E.E. Khalil, Ashwani K. Gupta, Kenneth M. Bryden and Sang C. Lee, Mixture preparation effects on distributed Combustion for Gas Turbine application, J. Energy Resources Technol., 2012, 134, 032201.
12. Калинин А.П., Орлов А.Г., Родионов А.И., Трошин К.Я., Демонстрация возможности изучения процессов горения и взрыва с помощью дистанционного гиперспектрального зондирования.// Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2009. Т. 8. http://chemphys.edu.ru/issues/2009-8/articles/202/
13. Виноградов А.Н., Егоров В.В., Калинин А.П., Мельникова Е.М., Родионов А.И., Родионов И.Д. Линейка гиперспектральных сенсоров оптического диапазона Препринт ИКИ РАН Пр-2176, 2015. 16 с.
14. Рубцов Н.М., Виноградов А.Н., Калинин А.П., Родионов А.И., Трошин К.Я., Цветков Г.И., Установление закономерностей распространения неустойчивого фронта пламени методами оптической 3D спектроскопии и цветной скоростной киносъёмки, ИПМ им. А.Ю. Ишлинского РАН, Препринт № 1097, 2015.
15. Рубцов Н.М., Виноградов А.Н., Калинин А.П., Родионов А.И., Родионов И.Д., Трошин К.Я., Цветков Г.И., Черныш В.И. Использование метода гиперспектральной съемки и цветной скоростной киносъемки для изучения горения в нестационарных и неустойчивых режимах //Физико-химическая кинетика в газовой динамике. 2016. Т.17, вып.1.
http://chemphys.edu.ru/issues/2016-17-1/articles/597/
16. Nikolai M. Rubtsov, Boris S. Seplyarskii, Kirill Ya. Troshin, Victor I. Chernysh and Georgii I. Tsvetkov, Initiation and propagation of laminar spherical flames at atmospheric pressure, Mendeleev Commun., 2011, 21, pp. 218‒220.
17. Pierse, R., Gaydon, A., The identification of molecular spectra, 1941, N.-Y., London, Acad. Press, 240 Р.
18. T. Icitaga, Emission spectrum of the oxy-hydrogen flame and its reaction mechanism. (1) Formation of the Activated Water Molecule in Higher Vibrational States. The Review of Physical Chemistry of Japan Vol. 13f, No. 2 (1939), Pp. 96‒107.
19. P. Stamatoglou, Spectral Analysis of Flame Emission for Optimization Of Combustion Devices on Marine Vessels, Master of Science Thesis, Department of Physics, Lund University, Kockumation Group, Malmö(Sweden), Мay 2014.
20. NIST Atomic Spectra Database http://physics.nist.gov/ PhysRefData/ASD/ lines_form. html
21. B. Lewis, G. Von Elbe, Combustion, Explosions and Flame in Gases, New York, London.: Acad. Press, 1987, 566 P.
22. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. Основные характеристики горения, М:, Химия, 1977, 320 с.
23. Н. Hamoushe, Trace element analysis in aluminium alloys, Alcan International Limited, Quebec, Canada, http://www.riotintoalcan.com/ENG/media/76.asp
24. Конструкционные материалы, п/р Б.И. Арзамасова, М:, Машиностроение, 1990, 360 С.
25. W. Meyerriecks and K.L. Kosanke, Color Values and Spectra of the Principal Emitters in Colored Flames, Journal of Pyrotechnics, 2003, No. 18, pp. 720‒731.
26. S.G. Saytzev and R.I. Soloukhin, "Proceedings of the 8th symposium (International) on combustion," in California Institute of Technology Pasadenia, California, (The Combust. Inst., Pittsburgh, PA), 1962, p. 2771.
27. R.K. Eckhoff, Dust Explosions in the Process Industries, 2nd еdn., Butterworth-Heinemann, Oxford, 1997.
28. J.C. Livengood and W.A. Leary, "Autoignition by rapid compression," Industrial and Engin. Chem., 1951, 43, 2797.
29. T.C. Germann, W. H. Miller, Quantum mechanical pressure dependent reaction and recombination rates for OH + O → O2 + H, J. Phys. Chem. A: 1997, V.101, pp. 6358‒6367.
30. Франк-Каменецкий Д.А., Диффузия и теплопередача в химической кинетике. Изд-во “Наука”, 1967, 489 с.