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