潛艇微氫環境中柴油燃燒動力學特性

鄧飛云，劉伯運，易祥烈，趙博，任廣魯

(1.海軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室，上海 201913；2.海軍工程大學 動力工程學院,武漢 430033)

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潛艇微氫環境中柴油燃燒動力學特性

鄧飛云1，劉伯運2，易祥烈2，趙博2，任廣魯2

(1.海軍駐上海江南造船(集團)有限責任公司軍事代表室，上海 201913；2.海軍工程大學 動力工程學院,武漢 430033)

采用理論分析和實驗方法分析潛艇蓄電池在無溫度補償的浮充工況下的析氫和析氧過程，結合Arrhenius化學反應速率公式，對析氫速率、析氧速率隨溫度變化的規律進行指數擬合分析，發現在無溫度補償(冷卻或加熱)條件下，新、舊潛艇鉛酸蓄電池在浮充工況時，蓄電池電解液溫度都將迅速上升，并在一定時間后趨于穩定值。與舊蓄電池相比，新蓄電池溫度上升速率比舊蓄電池快，析氣速率與溫度的關系無法滿足阿累尼烏斯反應速率公式。

潛艇；鉛酸蓄電池；析氣特性；無溫度補償

常規潛艇上都裝有大量的蓄電池，是潛艇水下航行的推進動力源。但蓄電池在充放電過程中會持續產生氫氣，給潛艇帶來巨大安全隱患[1-2]。雖然艇上裝備有各類消氫設備，使得艙內氫氣濃度保持在較低水平，以降低氫氣燃爆風險，但艙內還存在一定濃度的氫氣(小于最低可燃濃度極限)，形成低濃度氫氣環境(稱為“微氫環境”)。在微氫環境中，是不會發生氫氣燃爆的，但由于微濃度氫氣的存在，在其他可燃物發生火災時，環境中的氫氣分子會在高溫作用下分解成原子，而氫原子的高還原性可能會促使可燃物的燃燒反應加劇，從而使火災破壞力增大，造成更大的損失。潛艇微氫環境中可燃物燃燒特性的變化，對潛艇上防火設計與滅火裝備提出更高要求，因而需進行深入的定性、定量研究，以確保潛艇防火滅火的可靠性和安全性。

關于微氫環境下柴油火災動力學特性的研究較少，目前已公開發表的研究成果主要集中在柴油發動機摻加適量氫氣，改善柴油燃燒性能和發動機動力等[3-9]。

關于微氫環境中柴油燃燒特性的研究較少，還沒有真正意義上的微氫環境下火災動力學特性研究報導。對于潛艇艙室環境來說，環境始終都有一定濃度的氫氣存在，因而研究微氫環境下可燃物火災動力學特性對提高潛艇火災安全性具有重要意義。

為此，考慮對0#柴油在不同濃度的微氫環境中火災動力學特性進行研究。

1 實驗系統設置

微氫環境火災特性實驗在潛艇通用艙室實驗艙進行，實驗的測試儀器設備主要有KANE 9506煙氣成分分析儀、脈沖點火器、油盆及撐架掛件、高壓氫氣與合成空氣輸入組件、EFI120XX防爆型正負壓電動風機等。潛艇通用艙室氫氣燃爆實驗艙長、寬、高尺寸為1.5 m×1.5 m×1.5 m，在艙室頂部中央位置設有大小為0.6 m×0.6 m的用以安裝調試實驗測試設備的人孔，在艙室相對的2個側壁中央各設有大小為0.4 m×0.4 m通風口,見圖1。

在艙室另外的2個相對側壁中央各設有大小為0.5 m×0.5 m防爆玻璃觀察窗，用以監測艙內氫氣燃爆時的球形火焰傳播。在一個通風口所處的艙壁底部設置尺寸為0.2 m×0.3 m×0.2 m的氣流緩沖混合器，作用是使氫氣-空氣進入艙室之前充分混合、減速，在其端面上，安裝有夾角為120°的2根導管，分別用作為氫氣進口和空氣進口。

實驗用氫氣純度達99.99%，空氣為合成空氣，氧氣體積分數為21%，氮氣含量79%，無其他氣體成分，氧氣和氮氣純度均達到99.99%。儲存氫氣、合成空氣的氣瓶容量22 L，壓力13 MPa，在高壓氣瓶的瓶頭閥輸出端各安裝有氫氣、空氣專用減壓閥，通過調整減壓閥氣體壓力，可調整出指定流量的輸出氣流，并通過高壓軟管與燃爆實驗艙氣流緩沖器的氣體輸入端口連接，如圖2所示。在氫氣、合成空氣進入實驗艙前，使用型號為Aera FC7700的氣體流量計對管路流量進行實時監測，其量程為10 mL/min～5 L/min，誤差范圍為±1×5 mL/min，響應速度為2 s，既可通過并口數據接口線在電腦前端顯示，也可通過流量計上顯示窗口直接讀取流量。通過調整氫氣-空氣的流量比，可使氫氣-空氣混合氣的氫氣體積分數達到實驗所需濃度。

為測試可燃物在微氫環境下燃燒時火焰的溫度場分布，采用InfreC R500 Pro紅外熱成像儀，量程為-40～2 000 ℃。

根據微氫環境中氫氣濃度的不同，實驗分為4種工況，對應的氫氣濃度(摩爾濃度，下文所列濃度均為摩爾濃度)分別為0%，1%，2%，3%，對應工況分別為工況I、II、III、IV。在燃燒實驗中，實驗艙艙壁的通風口完全關閉，艙室頂部的開口打開，氫氣-空氣混合氣從艙室底部流入，經燃燒反應后生成煙氣從艙室頂部的開口處流出。

在實驗中，煙氣成分分析儀的主要作用是監測實驗艙頂部的管口處氫氣、氧氣濃度，以確定艙內氫氣濃度分布。KANE9506型多功能綜合煙氣分析儀可同時測量O2,SO2,NO,H2等十幾個煙氣排放組分和3個溫度及壓力，自動計算12個燃燒參數，采用手持式煙氣導管和加熱采樣探針對煙氣實時采樣。氣體組分經煙氣分析儀分析后，通過無線連接設備(藍牙或Wifi)，與Android系統平板電腦連接，以實現無線操作儀器。煙氣分析儀的采樣頻率為0.5 次/s，煙氣成分的精度可達0.1%，采樣分辨率為0.01%，可滿足本實驗對氫氣濃度測量的精度要求。

實驗開始，將空氣流量調整為1.0 L/min，對應的氫氣流量分別為0(氫濃度為0%)、10.10 mL/min(氫濃度為1%)、20.41 mL/min(氫濃度為2%)、30.93 mL/min(氫濃度為3%)。再使用煙氣濃度分析儀測量氣體緩沖混合器出口的氫氣濃度，以確定氫濃度已經調節到指定濃度值，如有偏差，還需調節氫氣流量。當進口氫氣濃度達到要求時，將所有艙門關閉，僅留有點火器高壓線纜通道口未封閉，繼續向艙內注入按比例混合好的氫氣-空氣混合氣。此時，將煙氣濃度分析儀采樣探針置于線纜通道口，觀察氫氣濃度。待此處氫氣濃度達到指定濃度值后，打開頂部艙口蓋，并對實驗物料點火。而后將煙氣濃度分析儀采樣口置于艙室頂部開口處對煙氣進行數據采集，紅外熱成像儀對燃燒過程溫度場實時監控，直至可燃物燃盡即為實驗結束。燃燒實驗完成后，先關閉氫氣、空氣供氣閥，并打開艙門，使用電動風機對實驗艙進行通風吹洗5 min，繼而進行下一實驗。

實驗環境溫度19 ℃，實驗0#柴油在常規空氣中與微氫環境下的燃燒特性進行測定。為保證實驗的準確性，在物料準備階段，對所有重復試驗的物料進行稱重，實驗物料組成為50 g柴油+10 g汽油+400 g水，單項重量誤差小于±1 g。

2 實驗結果與分析

2.1 0#柴油燃燒時的火焰特性

如圖3所示為0#柴油分別在氫濃度為0%、1%、2%、3%微氫環境下燃燒時的最高火焰溫度隨時間變化的規律。同一可燃物的火焰面最高溫度通常代表著反應速率的大小和燃燒熱釋放速率的快慢，而火焰面最高溫度的波動性代表燃燒的穩定性。

由圖3可見，當氫氣濃度為0%時，火焰面最高溫度出現了2次大幅度的跳動，實驗時也觀測到火焰將近要熄滅，而后又回燃起來。當氫濃度為1%時，火焰較為穩定，基本保持較小幅度的跳躍，火焰面最高溫度在整體上要比0%氫濃度的氣氛下要高出約20～30 ℃。當氫濃度為2%時，火焰要比1%氫濃度時還要穩定，火焰形狀幾乎保持不變，火焰面最高溫度接近為一水平線，且火焰面最高溫度始終要比0%氫濃度的氣氛下要高出30～45 ℃。當氫濃度為3%時，燃燒變得非常迅猛，實驗時還觀察到柴油燃燒時發出“滋滋……”的響聲，這是因為火焰對油盆熱輻射量過大，引起油盆底部的水沸騰所導致，另外，由于火焰面較大，引起火焰附近發生“羽流卷吸”現象，火焰面在開始時出現了大幅度的跳躍，但很快火焰又趨于穩定，且火焰面最高溫度要比0%氫濃度的條件下要高出100～150 ℃。

另外，從圖4中還可明顯看出，在這4種氫濃度的微氫環境下，隨著氫濃度的增大，柴油燃燒的持續時間也會明顯縮短，這反映出柴油的燃燒速率會隨著氫氣的增大而增大，使得同等重量的柴油完全燃燒完畢所需時長會不斷縮短，尤其是在氫濃度為3%時，柴油燃盡所需的時間接近為純空氣氣氛下(氫濃度為0%)的7/10，平均燃燒速率將近增大了0.4倍。

0#柴油在氫濃度分別為0%、1%、2%、3%微氫環境下燃燒時紅外熱像儀紅外感光鏡頭的測試區域內最低溫度和平均溫度隨時間變化的規律見圖4、5。由于熱像儀測試區域包含有部分實驗艙艙壁，而測試區域的最低溫度大都為艙壁區域溫度，因而測試出的最低溫度，反映出的是燃料燃燒時熱輻射損失。

由圖4、5可見，摻氫濃度為3%時，柴油燃燒的熱釋放速率最大，隨著氫濃度的增加，柴油燃燒的熱釋放速率越大。

假設艙壁溫度處于瞬態動熱平衡，即是艙壁吸收的火焰熱輻射量始終和環境熱量損失處于平衡中，則可得出火焰熱輻射損失大約正比于艙壁溫度與環境溫度的差值，即為被測區域最低溫度與環境溫度的差值。因此根據圖4中曲線可以估算出各工況下熱輻射損失的大小。4種氫濃度氣氛下(0%、1%、2%、3%)最低溫度值為40～45，45～50，47～53，55～60 ℃，與環境溫度(19 ℃)的差值為21～26，26～31，28～34，36～41 ℃，由此估算出3%氫濃度氣氛下，柴油燃燒時熱輻射損失熱量值約為空氣中(氫濃度為0%)的1.5倍。

除去火焰的熱輻射損失，被測區域平均溫度就直接代表著燃燒的熱釋放速率。由圖5可見，3%氫濃度氣氛下，柴油的熱釋放速率始終保持最大，其次分別為2%、1%氫濃度下。

至此明確得出：微濃度氫氣對柴油的燃燒過程具有明顯的助燃作用，使得其燃燒過程火焰熱釋放速率增大，在氫濃度小于3%時，氫氣還有助于火焰穩定持續燃燒。

4種氫濃度的微氫環境下(0%、1%、2%、3%)柴油燃燒全程中火焰面上最高溫度出現最大值時的紅外熱成像圖和相關的熱圖曲線和溫度圖譜分布見圖6～9。

由圖6可見，當氫濃度為0%時，火焰面的面積較小，且高溫分布區域占總測試面積的比例很小，這都說明火焰的熱釋放速率較低。

當氫濃度提升至1%時(見圖7)，火焰面面積明顯增大，且火焰溫度也大幅升高，被測區域高溫區也擴大，由于火焰面增大、火焰溫度的提升，燃燒產生熱輻射損失也有一定幅度的增加，熱釋放速率要比氫濃度為0%時增大的幅度較明顯。

圖8中(氫濃度為2%的微氫環境)，此時火焰面面積與1%氫濃度條件下最高火焰溫度峰值時的相比要小，但火焰溫度比其要高。出現此情況的原因可能是因為燃燒的膨脹作用而使得熱流體加速形成羽流，火焰的上部分因羽流作用已經流出紅外熱成像儀測試區域，從而使得實際上的火焰面積被羽流所分割，導致火焰破碎、面積被削減。實際上的火焰面面積要比1%氫濃度條件下最高火焰溫度峰值時的火焰面面積大，熱釋放速率也要大，否則不會出現等量的同一燃料火焰溫度高而火焰面面積相比小的情況。在圖中的熱像圖也部分說明了這種現象：熱圖中火焰右上角處，出現了部分火焰破碎，破碎火焰隨氣流快速離開被測區域。

如圖9為氫濃度為3%的微氫環境下柴油燃燒過程中最高溫度達到峰值時的紅外熱像圖。由圖9可見，此時的火焰面面積最大，火焰溫度也最高(與前面3種氣氛相比)，高溫區也最大(見溫度分布直方圖)，燃燒的熱釋放速率也最大。同樣也可看到火焰破碎的現象。

通過上述紅外熱像圖可知，隨著氫濃度的增大，火焰面面積會不斷增大，火焰溫度也會不斷升高。由于溫度過高導致的熱膨脹作用，使得氣流在火焰面所在地出現浮力迅速增大，形成浮力加速羽流，火焰會出現破碎。實際上，火焰面破碎會導致真正意義上的火焰面增大，未燃可燃物在火焰上部與氧化劑混合，重新被引燃，使得燃燒更為充分，熱釋放速率更快。

3.2 不同氫濃度的微氫環境下0#柴油燃燒對煙氣成分的影響

煙氣中各氣體組分濃度大小，尤其是有毒有害氣體如CO、CO2、SO2等，對實際的防火、滅火實踐和人員逃生造成較大影響，分析可燃物燃燒過程產生的氣體濃度變化特性，對于促進潛艇火災安全防護，提高潛艇安全性具有重要意義。因此，本節基于微氫環境火災特性實驗中煙氣分析儀測出的實驗數據，分析在微濃度氫氣氣氛下，各可燃物火災過程中產生的煙氣各氣體組分的濃度變化特性，以對比分析氫氣對可燃物火災過程煙氣成分的影響。

0#柴油在空氣中燃燒時各主要氣體組分隨時間的變化見圖10。由于各氣體組分濃度差異較大，部分氣體濃度之間相差上百倍，為在同一圖中顯示所有氣體組分濃度，各組分濃度都適當進行了放大(或縮小)。如圖中的圖例說明中的“CO×10”，表示圖中顯示的CO濃度值為實際濃度的10倍，其他氣體濃度與此類似，可參照圖例說明進行一一對應。

由圖10可見，煙氣中各氣體組分濃度變化幅度都較大，尤其是H2、CO2和CO，幾乎都是從接近最小值，迅速增至最大，并如此反復。如果煙氣的氣體組分濃度出現這種大幅度快速變化，說明燃燒時火焰出現大幅度的波動，從幾乎熄滅迅速轉變為迅猛爆燃。但在實驗中并未觀察到火焰的快速大幅度變化，說明測量存在一定問題。事實上，KANE 9506型煙氣分析儀采樣探針的管口較小，采樣方式為接近為點觸式，與煙氣流界面相比，探針的管口界面約為煙氣流界面的萬分之幾，由于煙氣流動羽流特性，煙氣流中可能會出現渦流、湍流，流動具有一定的脈動性，使得采樣樣本可能不是煙氣，而是附近的空氣，或者較為稀薄的煙氣。另外，在全燃火焰的燃燒過程中，燃燒反應也會出現一定脈動性，即是在部分火焰在瞬間出現自熄，隨后又爆燃的現象，產生煙氣中氣體成分的濃度出現脈動性，從而導致濃度測量結果出現偏差。

通常情況下，CO2的濃度代表燃燒反應充分度，即是其濃度越大，反應越充分，從圖10也可看出，當CO2濃度增至最大時，CO和H2的濃度也隨后會減小，這是因為反應充分時，碳氫化合物燃燒生成煙氣主要是CO2、H2O，CO2濃度越大，反應速率越大，反之越小，由于反應不夠充分，碳氫燃料在熱流中出現熱解和脫氫反應，生成CO和H2，引起CO、H2濃度的增大。如果采用全采樣時長內的氣體組分濃度的時間平均值代表煙氣成分，顯然不足以反應煙氣的實際情況，對比分析也不足以說明問題，而如果以采樣時長內氣體組分濃度最大值、最小值代表煙氣成分，同樣不能真正反應出煙氣特性。因而，在此采用的是在可燃物燃燒發展到全燃火焰時刻(設為tmax)，前后各取Δt時間段，在區間內([tmax-Δt,tmax+Δt])各氣體組分濃度平均值，代表此種可燃物在全燃時煙氣的組分特征。而在全燃火焰時刻，由于反應速率的快速性，CO2濃度必然會增至最大值，可據此找出全燃時刻點。因此，后續所有的煙氣組分氣體濃度值，都是采用全燃時間區間內的時間平均值來代表對應條件下可燃物燃燒時的煙氣組分氣體濃度，以方便對比分析。

0#柴油在氫濃度分別為0%、1%、2%、3%的微氫環境下燃燒時的煙氣中各組分氣體濃度見圖11。由于KANE 9506型煙氣分析儀的分辨率為1(1×10-6)，當濃度低于1×10-6時，就難以測出。實測出柴油燃燒產生的煙氣中，主要有CO、CO2、SO2和H2，圖中各組分氣體濃度數值進行了一定的處理，以實現單圖繪制多個差異較大數值。如圖中CO濃度為實測CO濃度的10倍，SO2濃度為實測的103倍，CO2濃度為實測的1/5倍，H2濃度為實測的20倍。

從圖中可以看出，隨著環境大氣中氫濃度的增大，CO、SO2濃度會不斷降低，而CO2濃度會不斷增大，而H2濃度開始會降低，隨著氫濃度的持續增長，煙氣中的氫濃度也會大幅增加。值得注意的是，燃燒環境中的氫濃度分別為0%、1%、2%、3%，而經過燃燒氧化反應后，微氫環境中的氫氣參與了燃燒反應，且基本消耗殆盡。從CO2濃度不斷增大趨勢來看，大氣中氫濃度越大，柴油的燃燒反應越快、越完全，燃燒效率越高，且產生的CO、SO2還會越少，這與之前對柴油燃燒時熱場分析的結論保持一致，即是氫氣可加速柴油燃燒，提高熱釋放速率。另外，由于火焰溫度的升高和氫氣的存在，部分CO在H2的催化下，會迅速轉化為CO2，從而表現為CO2濃度不斷增大，而CO、H2濃度的降低。

另外，當大氣環境的H2濃度增加至1%時，煙氣中的H2濃度不會增加反而減低，而當大氣環境氫濃度逐漸增至2%,3%時，煙氣中H2濃度也會有一定幅度的增加，尤其是在大氣環境氫濃度增至3%時，煙氣中H2濃度出現了大幅的增加，出現這種情形的原因是H2對柴油燃燒的助燃作用有其局限性，助燃作用并非是隨著大氣中氫濃度的增大而無限制地增強，尤其是在3%氫濃度時，已經出現多余的H2，使得H2濃度大幅增加。

4 結論

1)氫氣對0#柴油具有顯著的助燃作用，其會使可燃物燃燒變得更為迅猛，甚至會發生爆燃。

2)氫氣對可燃物的助燃作用主要體現在增大可燃物燃燒時火焰面面積、增大燃燒速率和熱釋放速率、改善火焰穩定性、提高燃燒效率、縮短可燃物燃燒可持續時間。

3)微氫環境下氫氣濃度越大，其對可燃物的助燃作用越大，但也存在一定局限性，氫濃度的增大并不會使助燃作用持續增大，隨著氫濃度的增大，其助燃作用的增量會逐漸變小。

4)由于氫氣對可燃物的助燃作用，可燃物燃燒時產生的煙氣各組分氣體會發生一定的變化，主要表現在煙氣中CO、SO2濃度會有一定幅度的減少，而燃燒產物CO2的濃度會增大。

5)微氫環境中的氫氣在對可燃物助燃過程中，在燃燒過程通常會消耗殆盡，使得煙氣中H2的濃度極低(比微氫環境中氫濃度低得多)。

因此，在對存在微氫環境的潛艇內部進行防火、滅火實踐時，應將氫氣對可燃物助燃作用加以考慮，應相應地提高滅火防護裝具的防火、隔熱等防護性能。

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On the Gas Evolving Characteristics of Submarine Battery in the Float-charging Process

DENG Fei-yun1, LIU Bo-yun2, YI Xiang-lie2, Zhao Bo2, REN Guang-lu2

(1.Naval Military Representative Department of Jiangnan Shipyard, Shanghai 201913, China; 2.College of Power Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

By theoretical analysis and experimental methods, the principles of the hydrogen and oxygen evolving rate varying with time and temperature in the float-charging process of submarine batteries with no temperature compensation were analyzed. Combining with the Arrhenius chemical reaction rate formula, this paper also made an exponential fit analysis to the rate of oxygen and hydrogen evolving rate against temperature. It was found that when the new and old lead-acid battery were in the process of float charging, battery electrolyte temperature will rise rapidly, and after a certain time stabilize to a constant. Compared with the old battery, the new battery temperature rise rate is faster than the old battery. The relationship between gas evolving rate and electrolyte temperature of the new battery does not fit with the Arrhenius reaction rate equation.

submarine; lead-acid battery; gas evolving characteristics; without temperature compensation

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.03.016

2017-03-20

國防預研基金資助項目(4010404010103)

鄧飛云(1979—)，男，學士，工程師

研究方向：艦船消防

U674.76

A

1671-7953(2017)03-0070-07

修回日期：2017-04-04