Размещено на http://www.allbest.ru/

Зависимость электрического потенциала и температуры диффузионного пламени от природы инертной добавки

Решетников Станислав Михайлович

Кафедра физики. ГОУ ВПО «Вятский государственный университет». Россия

Резюме

Рассмотрены характеристики диффузионных пламён, образованных при горении коаксиальных струй. В качестве горючего использовался пропан, в качестве окислителя - воздух, воздух с кислородом, гелий с кислородом. Исследовано влияние природы инертного газа на электрические характеристики пламени. Исходя из модели Бурке-Шуманна рассчитан фронт пламени. Экспериментально найдено распределение температур, распределение электрических потенциалов и концентраций свободных зарядов в различных областях пламени.

Ключевые слова: диффузионное горение, низкотемпературная плазма, электрический потенциал пламени.

пламя коаксиальный электрический потенциал

Несмотря на очевидную актуальность проблемы изучения явления горения, основные закономерности, которые мы имеем и используем на сегодняшний день при управлении процессом горения - эмпирические. Это обусловлено трудностями, с которыми сталкивается исследователь при описании и моделировании этого процесса.

Горение - химическое явление, определяемое условиями тепло - и массопереноса продуктов горения и сгорания [7, 9, 15]. Обычно процессы, протекающие в газовой фазе, представляются как элементарные химические реакции окислительно-восстановительного типа, приводящие к перераспределению валентных электронов между атомами взаимодействующих молекул. Окислителями могут быть самые различные вещества: хлор, фтор, кислород, и т.п. Однако чаще всего приходится иметь дело с горением в атмосфере воздуха, при этом окислителем является кислород.

Горючие системы могут быть или предварительно перемешаны или нет. В первом случае реализуется кинетическое горение, а во втором - диффузионное. Предварительно не перемешаны, например, струи горючих газов и паров, поступающие в воздух. По характеру потока различают ламинарное и турбулентное диффузионное пламя.

Температура пламён лежит в пределах 1000-2500 К. Однако известно [4, 13, 17, 22], что несмотря на такое низкое значение температуры, пламя представляет из себя плазму. Также, вопреки представлениям об электро-нейтральности пламени, как низкотемпературной плазмы, обнаружен избыток концентрации ионов, в отдельных зонах кинетических и диффузионных пламен. Так в отсутствие присадок величины избытка зарядов лежат в пределах 109-1012 ион/см3 [13, 17, 19]. Рядом авторов [20] было проведено исследование электрических потенциалов в пламени - порядок этих величин определяется десятками милливольт.

При горении в пламени принципиально может реализоваться несколько видов ионизации.

Термоионизация. В результате соударения атомов или молекул в газе, возможно полявление заряженных частиц - свободных электронов и положительно заряженных ионов. Для ионизации атома или молекулы требуется затратить энергию, которая на несколько порядков превышает значения энергий, которыми обладают атомы и молекулы в слествии теплового движения при температурах горения порядка 1000-2500 К, поэтому механизм термоионизации при данных тепературых маловероятен.

Хемиионизация. В пламенах зарегистрированы электроны и несколько десятков различных ионов, номенклатура которых меняется в зависимости от вида топлива и условий горения. Предполагается [4,10, 12,13,19,20], что существует ряд первичных ионов, которые появляются в хемилюминесцентной области пламени, а затем уже они порождают все остальные типы ионов. Первичными ионами являются СНО+ и С3Н3+. Возможные реакции хемиионизации:

CH+O>СНО++e-;

CH*+C2H2> С3Н3++ e-

Самым мощным источником ионизации является фронт пламени. Здесь в большом количестве идут реакции ионизации:

R1+R2>I1++e- - хемиионизация вблизи хемилюминесцентной зоны;

I++P>I+*+P* - ионно-молекулярные реакции вблизи хемилюминесцентной зоны,

где R1, R2, P - радикалы и нейтральные молекулы, имеющиеся вблизи хемилюминесцентной зоны;

I+ - положительно заряженные ионы.

Хемоионизация считается в настоящее время процессом в наибольшей степени ответственным за высокую концентрацию ионов в пламени. Это явление представляют собой химические реакции перегруппировки моле-кул и атомов в процессе окисления сложных веществ, при которых еще и выделяется энергия, ведущая к ионизации исходных частиц.

Надо отметить, что непонятно, почему идет химическая реакция с ионизацией - процесс с гораздо большей энергией активации, а не только, как это принято при современном подходе, цепная радикальная химическая реакция, имеющая значительно меньшую эффективную энергию активации.

Термоэлектронная эмиссия, на которую ссылаются некоторые исследоватили [17] практические не возможна, т.к. величина работы выхода электронов значительно выше энергии теплового движения.

Таким образом, можно заключить, что нет даже в первом приближении моделей возникновения плазмы пламени и стационарных заряженных зон при горении. Абсолютно не ясно, что выступает в качестве сторонних сил при разделении зарядов в предпламенных зонах.

Для экспериментальных исследований электрических явлений в пламени используются зондовые методы. Зонды могут выполнять различные функции от подачи и снятия электрического напряжения до сбора частиц (масс-спектрометрия). Концентрацию заряженных частиц и потенциал измеряют электростатическим методом, вводя в факел металлический незаряженный зонд, или косвенно - по значению электропроводности точек пламени.

В настоящей статье экспериментально исследована и теоретически рассчитана форма диффузионных пламен, образованных двумя коаксиальными струями - пропана - внутренняя струя, и воздуха и гелия с кислородом в различных концентрациях - внешняя струя. Экспериментально изучено распределение температур, электрических потенциалов и избыточных свободных зарядов в зоне горения.

Если рассмотреть ламинарное диффузионное пламя, то в общем случае фронт пламени находится путём совместного решения уравнений диффузии и теплопроводности. Конвективные члены в полных производных концентраций и температуры по времени в этих уравнениях описываются с помощью уравнений Навье-Стокса и неразрывности, уравнения решаются с учётом массовых тепловых стоков с мощностью, определяемой кинетикой химической реакции.

Рис. 1. Схема газовой горелки и расположения фронта пламени

Несмотря на частую реализацию в практике диффузионных режимов горения математическое разрешение вышеперечисленных уравнений не производится, т.к. связано с непреодолимыми математическими трудностями. Задача обычно упрощается при помощи какой либо модели. Здесь мы воспользуемся моделью Бурке-Шуманна [11, 14] для коротких пламён в приближении Гусаченко Л.К. [5] с использованием результатов наших работ [3].

Рассматриваемая газовая горелка представляет собой две кварцевые трубы разного диаметра, расположенных одна в другой. По внутренней, диаметром 2a, течет горючее, по внешней, диаметром 2b - окислитель. Пламя образуется на срезе внутренней трубы горелки рис. 1. Принимается, что массовый поток в газе Одинаков по радиусу, направлен вдоль оси и равен . Окислитель и горючее диффундируют по закону Фика, коэффициент диффузии постоянен и равен D .

Уравнение диффузии для компонентов в модели Бурке-Шуманна запишется:

с граничными условиями:

,

где: С1,2 - концентрация соответственно горючего и окислителя, - плотность обоих газов,

?i - скорости потребления реагентов в химической реакции.

Введём безразмерные переменные:

,

где: - массовая скорость компонентов,

m - стехиометрическое массовое соотношение окислителя и горючего.

Здесь нами решается задача для «коротких» пламен, когда параметр . В этом случае в операторе Лапласа уравнения диффузии учитывается вторая производная концентрации по высоте и изменяется одно из граничных условий предыдущей системы:

.

Решение имеет вид:

,

где J() - функция Бесселя первого рода, - ряд значение соответствующий уравнению J(b)=0, и используется для расчёта нахождения фронта пламени.

Рис. 2. Фотография пламени и результат расчета поверхности горения (внизу) Горючее - пропан, окислитель - воздух, скорость 15 см3/с.

Расчёт начинается с поверхности внутренней трубки горелки при ?=0, при дальнейших расчётах высота над этой поверхностью изменяется с определённым шагом. На каждой высоте находится радиус точки , в которой параметр обращается в нуль, то есть достигается заданное соотношение реагентов.

Определение сопровождается нахождением суммы членов бесконечного ряда, зависящих от корней функции Бесселя первого рода. При расчёте учитывается 60 корней [20] и ставится ограничение по счету.

Результаты расчетов и фотография пламени пропана в воздухе для линейной скорости окислителя 15 см3/с сопоставлены на рис. 2.

Схема экспериментальной установки [16] представлена на рис. 3.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Схема установки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контролируя расход топлива и окислителя, можно контролировать геометрические размеры и форму пламени.

Использование в качестве зонда микротермопару хромель-алюмель диаметром 0.06 мм, позволило исследовать температурное поле горелки в различных режимах. Результаты режима при недостатке окислителя приведены на рис. 4, при избытке на рис. 7.

Измерение электрических потенциалов точек пространства в области горения производится с помощью одноэлектродного пассивного (электростатического) зонда. Применение такого зонда позволяет в значительной степени уменьшить возмущения газового потока благодаря пассивности зонда исключить искажения поля пламени.

Электростатический метод измерения потенциалов точек пламени основывается на внесении в область пламени пассивного зонда подключенного к вольтметру [20] (рис. 5) Потенциал измеряется относительно «земли». Так как зонд электрически нейтрален, то при внесении его в область пламени, обладающую некоторым объемным зарядом, на поверхности зонда индуцируются заряды противоположного знака, равные по модулю заряду, которым образована данная область. При подключении зонда к вольтметру, заряды того же знака, что заряды образующие объемную область перетекают на вольтметр, который показывает потенциал области, в которую помещен зонд. Однако, происходит искажения поля данной области, связанное с тем, что заряд противоположного знака, оставшийся на зонде равен по модуль заряду области, в которую помещен зонд, тем самым общий заряд равен нулю.

Благодаря сравнительно небольшим линейным размерам зонда по сравнению с размерами пламени, вносимые искажения практически не изменяю картину собственного поля пламени. Помещая зонд в различные области пламени можно получить распределение электрического потенциала точек пламени. Комбинация прохода пламени зондом представлена на рис. 6.

Зонд изготовлен из нихромовой нити толщиной 0.4 мм и покрыт изолирующим материалом: стеклянным капилляром толщиной стенок не более 0.2 мм, конец капилляра оплавлен, и оголенная часть зонда составляет величину порядка от 0.4 мм. Это позволяет изолировать горловину капилляра от попадания в зазор между зондом и капилляром продуктов горения и надежнее зафиксировать зонд. Зонд подключен к вольтметру имеющему входное сопротивление 10 МОм, с вольтметра снимаются значения потенциала точки пламени относительно «земли».

Глубина проникновения зонда задается с помощью микрометра. Зонд соединен с электроприводом, который подключен к таймеру. Время нахождения электрода в горелке определяется временем выхода на стационарный режим горения.

Для расчета концентрации заряженных частиц в пламени рассмотрим теорему Гаусса:

используя связь между и ?:

получим соотношение ,

Задача двумерная, следовательно, вторая производная по координате , обращается в нуль, в результате получаем расчетную формулу:

Для получения значений плотности заряда по последнему выражению производилось численное дифференцирование и находится производная первого и второго порядков на основе трехточечной [18] схемы:

, ,

где , - значение первой и второй производной в точке (i,j); - значение потенциала в соседней справа точке; - значение потенциала в соседней слева точке; - значение потенциала в соседней сверху точке; - значении потенциала в соседней снизу точке; h1, h2 - шаг сетки.

Для проведенных экспериментов h1=0.5 мм, h2=1 мм. Так как формула для плотности заряда содержит сумму вторых частных производных, то каждое слагаемое рассчитывалось в отдельности. Если для получения второго слагаемого сразу использовалась формула второй производной, то для расчета первого слагаемого последовательно применялась формула расчета первой производной.

Таким образом, по найденным значениям потенциала в каждой точке поля, можно найти распределение потенциалов в данной области (рис. 10, 11).

На рис. 7. изображено полученное распределение электрических потенциалов при горении пропана в смеси кислорода с гелием в режиме избытка окислителя, при этом реализуется пламя колоколообразной формы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Отрицательный потенциал сосредоточен над срезом горелки, положительный с внешней стороны от фронта пламени. Значения потенциалов по абсолютному значению велики и достигают 210 мВ.

Наблюдаемая локализация положительных и отрицательных зарядов объясняется тем, что продиффундировавшие в свежую смесь электроны, возникшие при хемоионизации, захватываются молекулами кислорода с образованием ионов . Подвижность отрицательных частиц уменьшается. Вследствие чего положительные ионы с массой меньшей, чем , разлетаются на большие расстояния, чем отрицательные. С ростом коэффициента избытка окислителя ? в хемилюменесцентой зоне концентрация ионов содержащих кислород увеличивается и имеет максимум при ??1, а концентрация безкислородных ионов быстро падает. В работах [21, 19, 6] указывается на высокие градиенты концентрации ионов на границе хемилюминесцентной зоны, особенно со стороны области догорания.

В области подготовки на расстоянии до нескольких миллиметров от внутренней границы хемилюминесцентной зоны достигает максимума концентрации (73 а.е.м.), или (95 а.е.м.), или (109 а.е.м.) и других тяжелых ионов, которые появляются по мнению авторов [2,1] в процессе ионной конденсации или трехчастичной ассоциации. Однако результаты экспериментов [19], где получено, что профили концентраций ионов хемилюминесцентной зоны и области подготовки при опреде-ленных ? и р пространственно разделены, противоречат этим предположениям и позволяют сделать вывод о наличии процессов ионизации электронами в области подготовки. Однако неясно, каким образом электроны, обладая по данным [13,19,6,8] средней энергией 2-2.5 эВ могут вызывать ионизацию.

Картина электрического поля блюдцеобразного пламени отличается от картины поля колоколообразного пламени. На рис. 8. приведено экспериментальное распределение потенциалов при горении пропана в воздухе в режиме недостатка окислителя. Области с различными потенциалами обозначены разной темнотой заливки. Отрицательный потенциал находится над фронтом пламени, который изображен тёмной линией. Светлый прямоугольник означает срез внутренней трубы горелки. Порядок потенциалов составляет десятки мВ, значение максимального положительного = 70 мВ, максимального отрицательного = 90 мВ. Основываясь на этом, произ-едена градация оттенками серого цвета. Более светлые - это области положительного потенциала. Более темные - области отрицательного потенциала.

Под пламенем и непосредственно над срезом горелки над горючим положительный потенциал, причем максимальное значение он принимает над срезом с выходом горючего. Само пламя нейтрально. Непосредстенные замеры в этом месте затруднительны и не точны.

Авторы работы [20] провели исследование распределения электрического потенциала в пламенах метана и пропан-бутана. Проведенное зондирование пламён указывает на наличие двойного электрического слоя при реализации диффузионных пламен. Особенно велики градиенты потенциала в пределах “голубого” пламени. Снаружи пламя имеет положительный потенциал, а внутри - отрицательный. При реализации пропан - бутано-ого пламени величина максимального замеренного отрицательного потенциала равна 24 мВ. Интересны замеры упругости поверхностей, ограничивающих область активного протекания процессов. Измеренное при помощи механотрона сопротивление перемещению зонда при соприкосновении его с поверхностью “голубого” конуса на 3-4 порядка превышало сопротивлению перемещению зонда при соприкосновении его с эквивалентной по физическим параметрам свободной среды.

Величины сопротивлений поверхностей “голубого” конуса находились в пределах 1-10 г·см-2, а расстоя-ние между внутренней и внешней поверхностями равно 0.2-1 мм. При изменении коэффициента избытка воздуха от 0.4 до 1.2 отмечено почти линейное увеличение этого расстояния и величины сопротивления в 2-3 раза. Поверхность, где соприкасаются области положительного и отрицательного заряда, оказывает наибольшее сопротивление перемещению. Это объясняется наличием двойного электрического слоя. Имеет место различие молекулярного состава непосредственно прилегающих друг к другу, но обладающих противоположным зарядом областей пламени [17].

Распределение потенциалов при горении пропана в смеси гелия и кислорода приведены на рис. 9. Градация областей потенциала оттенками серого цвета аналогична рис. 8. Следует отметить резкое падение значений потенциала, а также изменение поля пламени. Если при горении пропана в воздухе наблюдалось три ярко выраженные области существования потенциала (две положительные и одна отрицательная), то при горении пропана в смеси гелия и кислорода наблюдаются две зоны противоположного знака.

В случае горения пропана в воздухе отрицательно заряженная область образуется непосредственно над фронтом горения, а при горении в смеси кислорода с гелием отрицательно заряженная область располагается в центральной части фронта пламени. Порядок концентрации зарядов 109 см-3, что согласуется с данными, полученными по исследованию кинетических пламен [22].

Пространственное распределение зарядов при горении пропана в воздухе приведено на рис. 10. На рисунке темным цветом обозначены области сосредоточения отрицательно заряда, светлым - положительного. Естественно, что области с одинаковой концентрацией заряда имеют туже форму, как и эквипотенциальные области. Отчетливо наблюдается область сосредоточения отрицательного заряда над фронтом пламени.

Распределение плотности электрического заряда в пламени пропана в смеси кислорода с гелием (рис. 11) отличается порядком величин и пространственным расположением.

Таким образом, показана зависимость распределения электрического потенциала в области горения диффузионного пламени от природы инертной добавки в составе окислителя. Разность потенциалов пропорционально зависти от малярной массы инертного разбавителя. Использование инертного разбавителя с меньшей молярной массы ведет к уменьшению плотности зарядов в квазистационарных областях пламени, величина избытка окислителя в данных опытах поддерживалась постоянной. Необходимо отметить, что при рассмотренных режимах горения наблюдаются отрицательная и положительная области потенциала, разделенные фронтом пламени. Можно также предположить, что такая разница между распределениями зарядов является следствием отличая свойств (потенциала взаимодействия, теплопроводности, теплоемкости) инертного разбавителя.

Литература

1. H.F. Calcote. Comb. Flame. 1980. Vol.42. No.3. P.215.

2. I.M. Goodings, S.D. Tanner, D.K. Bohme. Can. J. Chem. 1982. Vol.60. No.22. P.2766.

3. S.M. Reshetnikov. Calculation of the effective height of the diffusion flame. Combust. Expl. Shock Waves-Enal. 30/3 (May-Jun 1994). P.292-294.

4. Аравин Г.С., Власов П.А., Карасевич Ю.К., Маколкин Е.В., Нейгауз М.Г. Исследование механизма химической ионизации при высокотемпературном окислении метана в ударных волнах. ФГВ. 1982. №1. С.49-57.

Размещено на Allbest.ru