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.
Рис. 3. Схема установки.
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.