151296 (Механизм воздействия электрического поля на процесс горения), страница 2

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.

Эксперименты, поставленные по схемам в и г, интересны тем, что, во-первых, исключается возможное влияние на кинетику химических реакций теплового эффекта, получаемого в результате превращения энергии электрического поля при прохождении тока через пламя в тепловую; во-вторых, меняя знак электрического заряда на горелке, можно дифференцировано и более чётко выявить влияние ионного ветра на процесс распространения пламени.

Следовательно, создаются предпосылки для определения влияния имеющихся в пламени заряжённых частиц на кинетику химических реакций, так как повышение температуры пламени за счёт преобразования электрической энергии в тепловую исключено, а влияние ионного ветра можно учесть, меняя знак электрического заряда на единственном электроде-горелке.

Прежде чем перейти к анализу влияния электрического поля на процесс распространения пламени, необходимо на примере ламинарного гомогенного пламени рассмотреть взаимосвязь величин, входящих в уравнение Гуи-Михельсона, и их влияние на внешние характеристики пламени.

Известно, что нормальная скорость u_н является характеристикой процесса горения и определяется кинетикой химических реакций и температуропроводностью среды:

(1)

где - средняя скорость химической реакции;

а - температуропроводность.

С другой стороны, в соответствии с постулатом Гуи ламинарных гомогенных пламён справедливо соотношение

= , (2)

где S_к - поверхность фронта пламени (внутреннего конуса);

v- расход горючей смеси.

Таким образом, для смеси данного вида, составленного из конкретного топлива и окислителя u_н =const, при постоянстве её расхода v и без изменения внешних энергетических условий поверхность внутреннего конуса S_k и его высота h_k- величины постоянные при увеличении скорости горения смеси высота h_k и необходимая поверхность внутреннего конуса S_k будут уменьшаться. Уменьшение S_k наблюдается и при уменьшении расхода смеси постоянного состава (u_н =const). Следовательно, связь между параметрами, характеризующими распространение ламинарного гомогенного пламени, можно представить в следующем виде:

;

. (3)

Иными словами, при постоянстве входных условий (гидродинамических, тепловых и концентрационных) уменьшение или увеличение поверхности фронта горения происходит в результате увеличения или уменьшения u_н, т.е. в соответствии с соотношением (1) u_н находится в зависимости от температуропроводности и скорости химической реакции.

Рассмотрим распространение гомогенного пламени в продольном электрическом поле и при наличии одного заряда на горелке в соответствии со схемами, показанными на рис. 2, с целью индивидуальной оценки влияния поля по таким характеристикам, как скорость горения и пределы устойчивости пламени по срыву и проскоку.

В процессе анализа предположим, что в каждом случае влияние электрического поля на распространение пламени представлено следующими факторами.

Ионный ветер

Механическое увеличение потоком положительных ионов всей массы газов к отрицательному электроду-горелке в случае наложения продольного электрического поля по схеме а (см.рис 2) должно вызвать уменьшение высоты внутреннего конуса и поверхности горения S_k; и наоборот, при схеме б, когда горелка находится под положительным потенциалом, следует ожидать увеличение k_h и S_k.

В соответствии с соотношениями (2) и (3) при постоянстве входных и внешних условий такие изменения h_k и S_k объясняются только изменением u_н, т.е. увеличением или уменьшением нормальной скорости пламени.

С точки зрения тепловой теории эффект ионного ветра можно объяснить тем, что положительные ионы, увлекая за собой массу раскалённых газов при наложении поля по рис. 2, а, приближают зону с более высокой температурой к горелке, в результате чего создаются условия для более интенсивного теплообмена между раскалёнными продуктами сгорания и свежей горючей смесью. Это в свою очередь вызывает ускорение реакции и смещение фронта пламени ближе к горелке, при наложении поля по рис. 2, б зона с более высокой температурой будет смещаться вверх, так как ионы увлекут за собой к катоду нейтральную массу раскалённых газов Теплообмен со свежей смесью в этом случае ухудшиться, развитие горения замедлится и фронт пламени увеличит поверхность горения.

При наложение заряда на горелку по рис. 1, в и г возможные изменения h_k и S_k, происходящие за счёт электрического взаимодействия положительных ионов с зарядом на горелке, могут быть объяснены также, как и влияние поля. Однако эффект изменения S_k окажется значительно слабее.

Рассмотрим влияние электрического поля и заряда по пределу устойчивости по срыву и проскоку пламени, стабилизированного на горелке, принимая за основной механизм воздействия ионный ветер. Простейшим условием устойчивого горения является равенство

В случаях, рассмотренных на рис.2, а и в, в соответствии с проведённым анализом влияния поля на скорость горения и принятой трактовкой ионного ветра, следует ожидать расширение области устойчивого распространения в сторону более высоких критических скоростей срыва и её сужения за счёт увеличения критической скорости, соответствующей проскоку пламени. Поток положительных ионов, увлекая за собой массу раскалённых газов, будет содействовать стабилизации пламени на отрицательно заряжённой горелке.

В случае положительного заряда на горелке (см. рис 2, б и г ) поток положительных ионов и масса нейтральных раскалённых газов будут стремится сорвать пламя с горелки, т. е. область устойчивого горения будет сужаться за счёт уменьшения критической скорости срыва. Вместе с тем в этих вариантах область устойчивого горения может расширятся в результате уменьшении критической скорости проскока пламени в горелку.

Если рассматривать стабилизированное на электролизованном кольце пламя, приподнятое на некоторую высоту над горелкой (вариант “висящего” пламени), то наложение продольного электрического поля по схеме на рис.2, а, должно вызвать стабилизацию пламени на устье горелки под действием ионного ветра. Того же самого, но при более высоком значении потенциала можно ожидать при наложении на горелку электрического заряда по рис. 2, в.

Однако при наложении продольного электрического поля по рис.2, б и заряда по рис.2, г стабилизация предварительно сорванного пламени на положительно заряженную горелку – процесс неосуществимый, если его не объяснять ионным ветром; напротив, поле (см. рис.2, б) и заряд (см. рис.2, г), если следовать понятию ионного ветра, должны содействовать дальнейшему срыву пламени.

В таблице 1 приведены те вероятные экспериментальные эффекты, которые можно ожидать при распространении пламени в электрическом поле, предполагая, что определяющим фактором является один из трёх механизмов воздействия. с № 2в, 2г, 3а и 3в, хотя и характеризуются отсутствием влияния поля на распространение пламени, но только в первом приближении, так как при наложении на горелку отрицательного заряда (вариант 2в) через пламя потечёт ток положительных ионов, а в варианте 2г – ток электронов. В принципе при этом движении к горелке заряжённые частицы будут испытывать упругие соударения и в какой-то мере повышать энтальпию пламени.

При рассмотрении вариантов № 3а и 3в также предполагаем, что влияние электрического поля на распространение пламени отсутствовало, хотя при этом не учитывали такой фактор, как поляризация химически активных частиц под действием электрического поля, способствующих развитию химических процессов. В этих вариантах влияние электрического поля объясняется неупругими соударениями электронов с частицами, но так как в вариантах № 3а и 3в электроны не могут проходить через свежую смесь, а в соответствии с направлением поля ускоряются в сторону продуктов сгорания, то их влияние на подготовку к горению свежей смеси будет ослаблено полем.

Анализ таблицы 1 позволяет сделать следующие выводы:

1. каждый из трёх механизмов влияние электрического поля на процесс распространения пламени определяется направлением поля;

2. в зависимости от направления поля в реальных системах, когда

на распространение пламени могут влиять все три фактора,

можно выделить доминирующие процессы[19].