Диссертация (1141533), страница 6
Текст из файла (страница 6)
От тонкого электрода кширокому создается поток частиц, которого оказывается достаточно для воздействия на процессы горения. Механическая (пондемоторная сила), которая действует в данной точке поля на заряд, эффективно изменяет характеристики теченияпламени: форму, площадь поверхности, скорость распространения в каналах. Так29же способна отклонять и расщеплять факел пламени, не изменяя при этом нормальной скорости реакции окисления.
При горении дисперсных систем данный механизм воздействия является преобладающим: чем больше масса носителей заряда,тем больше величина массовых электрических сил.2.Тепловой механизм – джоулева диссипация энергии. Механизм, врезультате которого часть энергии, затраченной на создание электрического поля,переходит в тепловую энергию и приводит к повышению температуры физическихтел. Яркий пример – термосопротивление, в котором за счёт прохождения электрического тока по проводнику выделяется теплота. Данный механизм наиболее актуален при высокочастотных полях (сверхвысокочастотное (свч) излучение, вызывающее колебание молекул определённого диапазона).
Для выделения джоулеватепла в зоне горения возможно создать достаточную напряжённость при помощиСВЧ (сверхвысокочастотного) излучения, а также, при использовании тлеющего,дугового и коронного разрядов [46]. При использовании этих разрядов ионизацияпроисходит во всём разрядном промежутке.
В иных случаях выделение теплоты засчёт воздействия электрического поля несравнимо мало. На примере исследований,проведённых Мещеряковым Г.М. и Пантелеевым А.Ф. [47] [48], максимальная силатока на концах электродов до достижения пробоя в пламя составляет 1мкА ( приразности потенциалов между электродами до 40 кВ), соответственно, максимальное значение тепловой мощности ~40Вт, что на два порядка ниже мощности газовой горелки, используемой в эксперименте.3.Кинетический механизм воздействия – наиболее неоднозначный посвоему воздействию и обоснованию, ряд литературных источников [15] [49] использует данный механизм как основной при объяснении экспериментальных данных.
Механизм представляет собой непосредственное воздействие электрическогополя на кинетику химических реакций горения [50], [51]. При определённых соотношениях напряжённости электрического поля и концентрации молекул азота всмеси происходит эффективное возбуждение электронами колебательных уровней30молекул N2 (до 90% энергии разряда идёт на колебательное возбуждение) [52]. Прямое влияние внешнего электрического поля на кинетику химических реакций возможно за счёт возбуждения колебательных уровней молекул азота при столкновении их с электронами, диффундирующими за счёт высокой подвижности из зоныгорения в область предпламенных реакций [49] [53]:«2 ( = 0) + ̅ → 2 ( > 0) + ̅(1)Возбужденная молекула азота может передать часть энергии другим компонентам смеси, в частности, молекула кислорода:2 ( = 0) + ̅ → 2 ( > 0) + ̅(2)2 ( > 0) + 2 ( = 0) → 2 ( − 1) + 2 ( = 1).(3)Это приводит к увеличению скорости реакций разветвления в пламени, например:1⁄22 + 2 ( = 1) → + ».(4)Кинетический механизм наиболее выражен при использовании тлеющего,дугового и коронного разрядов [44].Описанные механизмы представляют фундаментальное отображение происходящего в системе при добавлении электрического поля при горении факелапламени.
При любом взаимодействии электрического поля с любыми заряженнымичастицами будут задействованы все три механизма воздействия. Но единственнойтрактовки экспериментальных результатов, полученных в ходе исследований различными авторами нет, также отсутствуют точные параметры воздействия и получаемые результаты на пламени.Определившись с механизмами воздействия, перейдём к классификации результатов воздействия электрического поля на факел пламени.
Снижение вредныхвыбросов СО и NOx - не единственные результаты, которые могут быть достигнутыпри использовании внешнего электрического поля в топке теплогенератора. В ходеэкспериментов различных авторов необходимо выделить результаты воздействиявнешнего электрического поля на факел пламени, которые будут положительносказываться на теплотехнических, экологических и эксплуатационных характеристиках в котлоагрегатах, работающих на различных видах топлива:31а)Увеличение скорости распространения фронта пламени – эффектпроявился при использовании переменного напряжения между заземлённым электродом, установленным по оси трубы, и сетчатым электродом, расположенным свнешней стороны кварцевой трубы [54], [55].
При подаче на сетку отрицательногопотенциала, интенсифицирующее воздействие внешнего электрического поля объясняется ионным ветром, направленным из зоны продуктов сгорания к сетке. Приизменении полярности ионный ветер меняет направление, и превалирующий механизм воздействия внешнего электрического поля меняется на кинетический механизм, поскольку, при этом свободные электроны перемещаются из фронта пламенив зону прогрева, где интенсифицируют кинетику химических реакций [56] [57] [58].Увеличение скорости распространения пламени подтверждено множественнымиработами в различных условиях [59], [60], [61], [62], [63], В работах [64] [65] [66]при сгорании газа в трубах квадратного сечения 36х36мм зарегистрировано десятикратное увеличение скорости распространения пламени под действием внешнегоэлектрического поля.
Превалирующий механизм воздействия – ионный ветер. Вбогатых смесях результат воздействия ниже, чем в бедных. Увеличение скоростираспространения фронта пламени применительно к котлоагрегатам позволит сжигать большее количество газа в единицу времени, что без серьёзной конструктивной переделки котла приведёт к повышению мощности при тех же размерах топки,а также есть возможность регулировки длины факела пламени, что позволит оптимизировать процессы теплоотдачи.б)Увеличение удельного расхода смеси – характеризуется повыше-нием удельного расхода смеси, при котором происходит срыв пламени. Приведёмкраткое описание условий эксперимента, выполненного при фиксировании повышения удельного расхода топлива.
В качестве топлива использовалась предварительно перемешанная смесь пропан-бутана. Электрод диаметром 70мм выполнениз металлической сетки и расположен на расстоянии 700мм от среза горелки, характерный размер среза заземлённой горелки при этом составлял 10мм. При подаче32на электрод отрицательного потенциала периодически изменялась форма поверхности пламени. С изменением полярности форма фронта пламени оставалась постоянной.
Преобладающий механизм воздействия – ионный ветер. При сжиганиин-бутана с воздухом в продольном внешнем электрическом поле, кольцевой электрод располагался на высоте 100мм над срезом горелки. При подводе положительного напряжения к электроду предельный объёмный расход смеси увеличивается в2-7 раз [67]. Положительное напряжение на электроде улучшает условия стабилизации, а отрицательное уменьшает устойчивость пламени. Механизм влияния электрического поля на пламя для достижения эффекта – ионный ветер. Существуетаналогичный эксперимент с поперечным внешним электрическим полем, [68] который так же демонстрирует увеличение расхода топливной смеси.
Увеличениеудельного расхода смеси позволит увеличить мощность уже существующих котловбез капитальных затрат на установку новых котлоагрегатов.в)Стабилизация пламени – характеризуется изменением доли разбави-теля в топливной смеси, при которой происходит срыв пламени. В некоторых экспериментах в качестве разбавителя газовоздушной смеси использовался азот илиаргон. Увеличение стабилизации пламени позволит сжигать газы с большим разбросом параметров сжигания (пример – попутные газы при добыче нефтепродуктов), а также увеличить стабильность факела при сжигании в топках вентиляционных выбросов различных вредных производств.
Эффект стабилизации пламениподтверждён рядом авторов [69], [70], [71], [72]. Установка и ход эксперимента аналогичны экспериментам увеличения расхода, но при этом использовалось толькоотрицательное напряжение на электродах, чтобы исключить влияние ионноговетра. Механизм воздействия –кинетический. С повышением напряжённости прикладываемого внешнего электрического поля срыв пламени происходит при существенно большем расходе разбавителя – азота. Интенсивность воздействия практически не изменялась с увеличением скорости газа на срезе горелки. Предельноеувеличение разбавителя азота – 34%. При использовании в качестве разбавителяаргона зафиксировано уменьшение расхода топливной смеси, что подтверждает33участие азота в механизме стабилизации пламени при наложении внешнего электрического поля.
Также, в литературных источниках отображено повышение массовой скорости горения и интенсификация распыления жидкого топлива под действием внешнего электрического поля. [73].г)Изменение формы пламени. Мощность котельной установки склады-вается из конвективного и лучистого теплообмена в топке от факела пламени и теплоты, полученной из хвостовых поверхностей котла. В исследованиях ГаранинаА.Ф., Третьякова П.К., Тупикина А.В. [74] при воздействии постоянного и импульсно периодического поля на пламя выявлено изменение площади поверхности горения с сохранением нормальной скорости пламени.
Изменение геометрии пламени в ламинарном и турбулентном режимах горения сводится к увеличению углафронта пламени в ядре топливовоздушной струи. Изменение формы, угла раскрытия, площади поверхности пламени позволяет оптимизировать процесс теплоотдачи от факела пламени к поверхностям нагрева топки, тем самым повышая эффективность использования котельной при нагрузке отличной от номинальной. В исследованиях автора работы экспериментально отражено сокращение длины факеладиффузионного пламени при наложении электрического поля напряжённостью7кВ. При подтверждении эффекта на турбулентном пламени сокращение длиныфакела позволит корректировать ошибки проектировщиков при несоответствиимощности установленной горелки в топке котла и предотвратить прогорание дальней стенки камеры сгорания от постоянного контакта с высокотемпературной зоной пламени.д)Повышение температуры горения – позволит увеличить тепловоенапряжение в топке и увеличить тепловой поток от продуктов сгорания к тепловоспринимающим поверхностям.
В эксперименте, подтверждающим повышение температуры пламени [75], внешнее электрическое поле создавалось между заземлённой цилиндрической камерой сгорания (диаметр 40мм длинна 300мм) и электродом, установленным на оси со стороны смесительной головки. Интенсифицирую-34щее воздействие наблюдалось при подаче на электрод положительного напряжения. По мере увеличения напряжённости увеличивается полнота сгорания топлива,вследствие чего поднимается температура продуктов сгорания на срезе сопла.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
