Механизм воздействия электрического поля на процесс горения

Введение

На современном этапе развития человеческой цивилизации использование процессов горения с целью получения энергии, т.е. сжигание различных видов топлив, играет определяющую роль в энергетике, на транспорте, в металлургической и других отраслях промышленности. Так, 70% всей энергии, вырабатываемой в настоящее время в мире, получается в результате сжигания органических топлив.

Следовательно, актуальны усилия, направленные на оптимизацию процесса горения, с целью повышения к.п.д. энергетических агрегатов, снижения количества вредных  выбросов с продуктами горения.

С  другой стороны, традиционные способы контроля и управления процессом горения в значительной степени уже исчерпали себя и становятся малоэффективными. Тепловая теория горения и теория цепных химических реакций, созданные в 20- 50-е годы,  соответственно трудами Я.Б. Зельдовича, Д.А. Франк-Каменецкого и Н.Н. Семёнова, в основном хорошо описывают свойства пламени, но слабо связаны друг с другом и не учитывают  ряда факторов, способных во многом определять ход процесса горения. К числу таких факторов можно отнести электрические свойства пламён, которые,  как показало их экспериментальное изучение, могут эффективно использовать для контроля и управления процессом горения.

Несмотря на большое количество работ, посвящённых воздействию электрических полей на горение, нет ясности в трактовке полученных  результатов. Более того,  нередко эксперименты, поставленные, казалось бы, в одинаковых условиях, дают прямо провотивоположные результаты. Происходит это потому, что игнорируется собственная электрическая структура пламени.

Целью работы является  выявление и изучение закономерностей влияния внешних электрических полей на макроскопические характеристики горения органических топлив.

 Основными задачами были:

-разработка схем наложения внешнего электрического поля на пламя, позволяющих осуществить максимальное воздействия поля на пламёна, горящих в различных условиях;

-экспериментальное изучение особенностей воздействия специально организованных внешних полей  на процесс горения углеводородных топлив;

На основе изучения особенностей воздействия на горение электрических полей, возможно создание новых способов управления процессами горения в энергетических и технологических агрегатах, обеспечивающих снижение расхода топлива, уменьшение вредных выбросов  в атмосферу, интенсификацию процесса горения- с одной стороны, и повышение эффективности средств пожарной обороны, снижение расхода огнегасящих веществ - с другой.

Глава 1.  Состояние вопроса.

1.1 Ионообразование в пламёнах.

Тот факт, что пламя обладает электрическими свойствами, известен очень давно. Однако, только в нашем столетии, когда была в основном сформулирована молекулярно-кинетическая теория вещества, стало ясно, что электрические свойства пламён обусловлены существованием в них заряженных частиц - ионов и электронов. Первоначально предполагали, что ионизация пламени имеет термическую природу, т.е. стимулирована сравнительно высокими температурами, развивающими при горении.  

  Однако, ещё в 1909 г. Ф.Габер предположил, что ионы в пламени образуются в результате химической ионизации в  реакции с участием радикалов С2, СН, ОН. Измерения концентрации ионов в пламени  различных углеводородных топлив, проведённых в 50-е годы, показали, что в зависимости от условий горения и вида топлива оно составляет 1010-1012 см-3, т.е. на 4-6 порядков превышает концентрацию, которая должна была бы наблюдаться при чисто термическом механизме ионизации.

Предполагалось также, что основным источником ионов могут быть мелкие углеродистые частицы, обладающие примерно такой же работой выхода, как и графит (4,35 кВ). Но это маловероятно по трём причинам. Во-первых, даже самые бедные пламёна характеризуются высокой степенью ионизации. Во-вторых, в диффузионных пламёнах максимальная концентрация заряда обнаружена в сравнительно холодной зоне предварительного смешения, а не в горячей вершине конуса, где происходит сажеобразование. Наконец, Калькот рассчитал, что даже если бы весь углерод в горючем находился в виде частиц размером 100 Å, то результирующая концентрация ионов всё ещё была бы на два порядка ниже наблюдаемой.

Калькот, анализируя работы различных авторов, посвящённые образованию ионов в пламени, приводит характерный график изменения концентрации ионов по зонам пламени (рис.1). Можно считать установленным фактом, что максимум ионизации соответствует фронту пламени, где протекают химические процессы, причём концентрация заряженных частиц резко падает по выходе в зону продуктов сгорания, хотя в этой зоне и наблюдается максимальная температура. Соотношение концентрации ионов в этих зонах оценивают как 1000:1 [3].

В обзоре Х.Калькота, вышедшем в 1957 г., рассмотрены различные возможные механизмы ионообразования в пламени и доказано, что именно механизм хемиионизации ответственен за аномально высокую концентрацию ионов в пламени. В процессах такого рода частицы претерпевают химическую перегруппировку, при которой освобождается количество энергии, достаточное для ионизации одного из продуктов реакции. Предполагается, что в случае пламён такой процесс идёт как побочная реакция между частицами, участвующей в основной реакции горения. Имеется довольно большое число возможных с энергетической точки зрения реакций, в которых участвуют две частицы в основном состоянии  или одна в основном, а другая – в возбуждённом состоянии. Поэтому предполагается, что хемоионизация, независимо от того, сопровождается  она образованием возбуждённых частиц или нет, является наиболее вероятным источником ионизации пламён.

После опубликования настоящего обзора был проделан целый ряд эксперементальных работ, результаты которых подтвердили важное значение хемоионизации. Энгель и Козенс считали, что при столкновении с колебательно-возбуждёнными частицами электроны свободно могут получить дополнительную энергию. Было рассчитано, что в результате баланса между энергией, полученной от возбуждённых частиц, и энергий, потерянных при упругих столкновениях, средние энергии электронов в пламёнах могут лежать в интервале 0,2 -1,2 эВ (2320 – 11600 К).

Многие эксперименты с электростатическими зондами показывают, что в некоторых пламёнах существуют повышенные электронные температуры. Так, например, в недавней работе Брэдли и Меттьюса, в которой использовались двойные зонды при пониженных давлениях, были обнаружены температуры до 30000 К. В связи с тем, что электроны ,обладающие энергией, немного превышающей потенциал ионизации могут легко ионизировать атомы и молекулы, Энгель и Козенс предположили, что эти электроны являются источником ионизации в пламёнах, где обнаружены повышенные электронные температуры. Действительно, нет сомнений в том, что электроны при температурах порядка  30000 К вызовут ионизацию с большими скоростями. Недавняя работа, в которой исследовалась ионизация в пламёнах смесей окиси углерода и кислорода с добавками углеводородов, показала, что в этих пламёнах происходит не только хемоионизация, но и образует значительное количество ионов О2+, которые могут возникать в присутствии электронов при повышенных температурах. Предполагается,  что последние появляются в результате взаимодействия с возбуждёнными молекулами СО2, которые в свою очередь образуют при рекомбинации молекул окиси углерода с атомарным кислородом.

   Однако повышенные электронные температуры были обнаружены не во всех пламёнах с повышенной степенью ионизации. Более того, при изменении скорости ионообразования были получены плоские плато, соответствующие току насыщения, при атмосферном давлении в широком  интервале приложенных напряжений. При этом напряжённость поля в зоне горения имела порядок кВ/см и, таким образом, была достаточна для значительного повышения электронной температуры. Это приводит к выводу, что в различных пламёнах могут играть важную роль различные механизмы ионообразования. Выяснение роли электронов повышенной энергии как одного из возможных источников ионизации требуется дальнейшего излучения.

В настоящее время экспериментальные данные показывают, что наиболее вероятным механизмом является хемоионизация, причём предполагается, что могут протекать только экзотермические или слабо эндотермические реакции. Были предложены два механизма, благоприятные с термохимической точки зрения:

СН+ОСНО++е-,

и

СН (А2Δ) +С2Н2  С3Н3++е- [19].

Интерес к электрофизическим аспектам горения начал быстро возрастать с конца 50-х годов, когда стало ясно, что традиционные методы контроля и управления процессом горения  в значительной мере исчерпали себя. Новая экспериментальная база позволила сравнительно быстро получить ряд данных, проливающих свет на процессы ионообразования в пламёнах, однако, вопрос о роли заряжённых частиц в процессе горения остаётся пока отрытым.

Экспериментально установлено, что в пламени существует разделение зарядов[4,5], причём положительный объёмный заряд сосредоточен в реакционной зоне (во фронте пламени), а отрицательный – в предпламенной зоне, которую в дальнейшем будем называть областью подготовки [6]. Предполагается, что разделение зарядов обусловлено амбиполярной диффузией[7]. Носителями отрицательного заряда в пламени являются электроны и отрицательные ионы.

1.2 Влияние электрического поля на процессы горения.

Стационарное гомогенное пламя представляет собой систему, обладающую в целом нейтральным зарядом. Однако в самом ламинарном пламени заряженные частицы распределены неравномерно: зона реакции и наружный конус характеризуются преимущественно положительным зарядом, а внутренний конус -  преимущественно отрицательным. Такое разделение разноимённых зарядов вызвано разной подвижностью положительных ионов и отрицательных частиц - электронов и косвенно подтверждает, что источником заряжённых частиц  является химическая реакция, развивающая во фронте пламени. Образовавшие в результате химической реакции положительные ионы из-за малой их подвижности создают преимущественно положительный заряд в месте своего возникновения, тогда когда более подвижные электроны, полученные в результате той же реакции, быстро покидают фронт пламени и образуют  преимущественно отрицательный заряд во внутреннем конусе[19].

Наличие в пламёнах заряженных частиц  в достаточно  высоких (по сравнению с равновесной) концентрациях закономерно приводит к выводу о возможности воздействия на процесс горения в целом через локальное воздействие на электрозаряжённую  компоненту, присутствующую в пламени. В принципе, такое электрофизическое воздействие может быть осуществлено двумя путями: наложением на пламя электрических, магнитных или комбинированных полей, и введение в пламя заряжённых частиц извне.

Впервые широкое изучение воздействия на горение электрических полей предпринято в работах А.Э.Малиновского с сотрудниками[9-19] в 30-е годы XX века. Ими было обнаружено изменение скорости горения и скорости распространения пламени в продольных и поперечных электрических полях, причём в зависимости от схемы наложения поля наблюдалось как уменьшение, так и увеличение этих параметров. В некоторых случаях скорость горения увеличилась до десяти раз[9], показана зависимость эффекта воздействия поля от давления[16,19] и частоты приложенного внешнего напряжения[11,17], возможность гашения пламенем электрическим полем[16,18].

Обычно при изучении воздействия электрического поля на процессы горения для оценки степени этого воздействия применялся дифференциальный метод, т.е. определяется изменение каких-либо характеристик горения в зависимости от напряжённости приложенного поля,  отнесённое к величине этих параметров в отсутствие поля. В качестве таких характеристик горения наиболее часто используются следующие: нормальная скорость горения и скорость распространения пламени, пределы стабилизации и критические расходы срыва, температура и энтальпия пламени, концентрация возбуждённых частиц, ионов и радикалов, состав продуктов горения и другие.

Почти во всех работах [3,11,20] констатируется сильное влияние электрического поля на исследуемые характеристики горения, причём степень этого влияния зависят от концентрации топлива в горючей смеси, достигая максимума в том случае, когда реализуется диффузионное горение.

Существенное влияние на наблюдаемые эффекты оказывает направление поля относительно направления линии тока пламени (обычно говорят о продольном и поперечном электрическом поле), а также полярность электродов, между которыми создаётся поле. Последнее обусловлено тем, что подвижность носителей заряда противоположных знаков в пламени в различных условиях может сильно различаться.

1.3 Вероятный механизм влияния  электрического поля на распространение пламени.

Анализу возможных механизмов воздействия электрического поля на процесс горения посвящены работы[19,20]. В принципе, изменение характеристик процесса горения в электрическом поле могут быть объяснены следующими причинами:

1.                 «Ионный ветер», т.е. возникновение при включении поля направленного движения ионов и увлекаемых ими нейтральных частиц вдоль силовых линий поля. Ионный ветер, таким образом, изменяет режим течения газа, в результате чего могут измениться форма и скорость распространения пламени, а также массовая скорость горения;

2.                 Превращение в объёме пламени энергии электрического поля в тепловую, в результате чего повышается температура и, в соответствии с законом Аррениуса    , увеличивается скорость химических реакций;

3.                 Прямое воздействие электрического поля на скорость химических реакций, например, вследствие поляризации реагирующих частиц и их активации, осуществляемой посредством соударений с электронами, которые в поле приобретают некоторую дополнительную энергию.

Что касается поляризации частиц в электрическом поле, то этот процесс в какой-то мере несомненно существует, тем более что частицы в пламени большей частью представляет собой полярные молекулы и радикалы. С точки зрения развития химической реакции поляризация реагирующих частиц является фактором, благоприятствующим  химическому воздействию соударяющихся частиц.

По-видимому, на процесс распространения пламени электрическое поле влияет одновременно как посредством ионного ветра и преобразованием энергии электрического поля в тепловую, так и прямым воздействием на кинетику химических реакций, хотя определяющее влияние при соответствующей напряжённости поля и его направлении может оказывать один из  названных процессов. При изменении напряжённости и направлении поля может оказаться, что начинает преобладает  другой процесс.

К сожалению, теория этого вопроса отсутствует, так как реальная структура пламени пока неизвестна, нет данных об электрических, магнитных и энергетических  константах частиц, находящихся в пламени, а также о протекающих элементарных процессах, не говоря уже о такой сложной суперпозиции полей, как электрическое, температурное и концентрационное.

Рассмотрим варианты  наложения электрического поля и электрического заряда на горелку с возможным изменением их направления  и знака заряда. На рис. 2 представлены четыре варианта наложения поля и заряда.

В варианте а поле создаётся между отрицательно заряженной горелкой и положительным электродом, установленным в “хвосте” пламени. Таким образом организуется движение положительных ионов к горелке вниз и электронов вверх.

В варианте б пламя распространяется от положительно заряженной горелки к отрицательному электроду. В этом случае к горелке устремляется поток электронов, а положительные ионы получат дополнительное количество движения по ходу потока.

Варианты в и г отличаются отсутствием второго электрода и наложением электрического заряда на горелку. В вариантах б и г пламя предельно чётко рассматривается как индивидуальная система, содержащая  электрически заряженные частицы и способная к возмущениям и искажениям в своей структуре под действием слабого электрического поля.

В варианте в горелка имеет отрицательный заряд, следовательно, положительные ионы из объёма пламени будут стремится  к горелке; в варианте г должна наблюдаться обратная картина: к положительно заряженной горелке из пламени устремится поток электронов.

Страницы: 1, 2