Ученые Института общей физики им.
А.М. Прохорова Российской академии наук (ИОФ РАН) работают над более
эффективным топливом на основе углеводородов и наночастиц бора.
Известно, что добавление в топливо наночастиц металлов
повышает эффективность процессов горения. В последнее время проявляется большой
интерес к исследованиям горения наночастиц бора в углеводородах. Бор приблизительно
в 1,5 раза превосходит их по удельной массовой теплоте сгорания. Эти качества,
наряду с малой токсичностью и возможностью промышленного производства,
позволяют рассматривать суспензии наночастиц бора в углеводородах как
перспективные энергоемкие композитные топлива.
Однако для воспламенения наночастиц бора требуется удаление окисного
слоя с их поверхности, что возможно лишь при высоких температурах. Эксперименты
показали возможность сжигания наночастиц бора с полнотой, близкой к 100%. Однако
в этих экспериментах наночастицы вводились непосредственно в продукты сгорания,
что, очевидно, способствовало быстрому удалению окисного слоя. В реальных
энергоустановках процесс воспламенения наночастиц может отличаться, поскольку
они смешиваются с топливом предварительно, а не в процессе его горения. Для исследования
этих особенностей ученые ИОФ РАН создали экспериментальную установку для
сжигания суспензий наночастиц бора в изопропаноле (C3H8O)
и определения температурных полей в ее пламени.
Диффузионное (то есть проводимое без предварительного
смешивания горючего с окислителем в виде кислорода) горение исследуемых
образцов жидкого топлива осуществлялось с использованием горелки непрерывного
действия, в которой парогазовая смесь испаренного топлива с газом-носителем
азотом (N2) при температуре 200°С подавалась в спутный поток кислорода
(O2) через сопло прямоугольного сечения с размерами 2×4 мм. При
скорости истечения парогазовой смеси порядка 2 м/с горелка обеспечивала
стабильное плоское ламинарное (то есть безвихревое) диффузионное пламя с длиной
факела около 50 мм, шириной около 8 мм и толщиной в центральной части около 5
мм.
В экспериментах использовался
порошок бора промышленного производства. Большинство наночастиц бора
представляли собой сферы диаметром до 50 нм (слева). При этом 99% массы
бора сосредоточена в крупных частицах с диаметрами порядка 750 нм, хотя
число таких частиц не превышает 0,1%. В центре даны виды с плоской и узкой
стороны пламени горелки. Пунктиром показан уровень измерения температур на
расстоянии h = 14 мм от среза сопла. Х – расстояние от
центральной оси пламени. При h = 14 мм температуры достигают своих
максимальных значений: 2310°К для чистого изопропанола (синяя
линия на графике справа) и 2460°К для изопронанола с 0,5% наночастиц
бора по массе (красная линия). Разница температур при h = 14 мм
также максимальна и равна 150°.
В результате экспериментов впервые проведено исследование
ламинарного диффузионного горения паров суспензии наночастиц бора в
изопропаноле и получены данные о распределениях температуры в пламени чистого
изопропанола и изопропанола, содержащего 0,5% по массе наночастиц бора.
Результаты экспериментов показали, что при горении композитного топлива
температура в области фронта пламени увеличивается примерно на 150° по
сравнению с температурой при горении чистого изопропанола. Данный эффект
свидетельствует о том, что наночастицы бора активно влияют на развитие
процессов горения в диффузионном пламени, и это влияние, с высокой степенью
вероятности, сводится не только к повышению теплоты реакции окисления
изопропанола, но и к активации этого процесса.
Подробнее см. в статье
«Экспериментальное исследование диффузионного горения суспензии наночастиц бора
в изопропане», «Доклады Российской академии наук. Физика, технические науки»,
2022, T. 502, № 1, стр. 10-14.
Е. В. Бармина, М.
И. Жильникова, К. О. Айыыжы, В. Д. Кобцев, Д. Н. Козлов, С.
А. Кострица, С. Н. Орлов, А. М. Савельев, В. В. Смирнов, Н.
С. Титова, Г. А. Шафеев.
Редакция сайта РАН