Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 11
1.1. Ионизация при горении 11
1.1.1. Электрическая структура пламени 12
1.1.2. Влияние коэффициента избытка окислителя на ионизацию при горении 15
1.1.3. Влияние инертных добавок на ионизацию при горении 16
1.2. Влияние электрического поля на процесс горения 17
1.2.1. Влияние электрического поля на характеристики процесса горения 19
1.2.2. Повышение экологичности сжигания топлив в энергетических установках 19
1.2.3. Влияние электрического поля на процесс горения жидкостей 21
1.3. Влияние магнитного поля на геометрию пламени 22
1.4. Влияние электрического пол я на геометрию пламени 22
1.5. Методы исследования электрофизических характеристик пламени 25
1.5.1. Микроволновая диагностика 25
1.5.2. Зонд Ленгмюра 26
1.5.3. Двойной электрический зонд 27
1.5.4. Электростатический зонд 28
1.5.5. Оптические методы измерения температуры 29
1.5.6. Измерение температуры с использованием термопар 30
1.5.7. Термометр сопротивления 32
ГЛАВА 2. Экспериментальная установка и методика проведения эксперимента 34
2.1. Экспериментальная установка 34
2.2. Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных 38
ГЛАВА 3. Результаты экспериментального исследования 43
3.1. Визуализация экспериментальных данных 43
3.2. Тепловая структура диффузионного пламени 44
3.2.1. Тепловая структура пламени, инертная добавка в составе окислителя -Не 45
3.2.2. Тепловая структура пламени, инертная добавка в составе окислителя - А^ 46
3.2.3. Тепловая структура пламени, инертная добавка в составе окислителя - Аг 48
3.3. Электрическая структура диффузионного пламени 49
3.3.1. Электрическая структура пламени, инертная добавка в составе окислителя -Не 50
3.3.2. Электрическая структура пламени, инертная добавка в составе окислителя - N2 52
3.3.3. Электрическая структура пламени, инертная добавка в составе окислителя - Аг 54
3.4. Выбор напряженности электрического поля наиболее эффективно влияющей на горение 56
3.5. Влияние электрического поля на тепловую структуру пламени 58
3.5.1. Тепловая структура пламени при наложении продольного постоянного электрического поля, инертная добавка в составе окислителя -Не 59
3.5.2. Тепловая структура пламени при наложении продольного постоянного электрического поля, инертная добавка в составе окислителя - N2 61
3.5.3. Тепловая структура пламени при наложении продольного постоянного электрического поля, инертная добавка в составе окислителя - Аг 63
ГЛАВА 4. Обсуждение результатов исследования 66
4.1. Влияние инертной добавки на температуру области горения 66
4.2. Влияние коэффициента избытка окислителя на температуру области горения 69
4.3. Влияние коэффициента избытка окислителя и природы инертной добавки на электрический потенциал области горения 70
4.4. Изменение электрической и тепловой структуры пламен при переходе от богатых к бедным пламенам 72
4.5. Влияние внешнего электрического поля на тепловую структуру пламени 74
4.6. Изменение теплового потока в к-фазу при наложении электрического поля на горящую поверхность стрт 75
Заключение 81
Список литературы
- Влияние коэффициента избытка окислителя на ионизацию при горении
- Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных
- Тепловая структура пламени, инертная добавка в составе окислителя - Аг
- Влияние коэффициента избытка окислителя на температуру области горения
Введение к работе
Большинство современных твердых топлив, применяемых в двигателестроении, являются смесевыми, так как по сравнению с баллиститными, они имеют более высокий удельный импульс и при их разработке имеются большие возможности создания композиций с самыми разнообразными сочетаниями свойств.
Способы регулирования закономерностей горения СТРТ можно разбить на два класса — это рецептурные и физические.
При рецептурном способе используются различные окислители и горюче связующие, изменяется фракционный состав окислителей, в состав вводятся ингибиторы и катализаторы горения, металлы, высокоэнергетические добавки. Все эти действия позволяют получить необходимые уровень скорости, закон горения и температурный коэффициент. Это является причиной большой номенклатуры существующих твердых топлив и огромной потребности в разработках новых с необходимыми свойствами.
Физические методы способствуют изменению скорости горения за счет конструктивных приемов, например, введение в топливо теплопроводящих элементов, обычно нитей [1], воздействие магнитными [2] и электрическими полями [3,4].
В данной работе экспериментально изучена и показана возможность управления скоростью горения ТРТ при помощи внешнего электрического поля.
Горение смесевого топлива включает как особенности горения газовых систем (диффузионных и предварительно перемешанных), так и конденсированных. Здесь необходимо выделить три класса явлений - гетерогенные, к-фазные и газофазные. Гетерогенные процессы — это гетерогенное окисление связующего; к-фазные - это линейный пиролиз окислителя и связующего и под поверхностное разложение окислителя, охладителя и других составляющих; газофазные - это процессы, включающие в себя два вида пламени - кинетическое и диффузионное.
Смесевые топлива в простейшем случае состоят из распределенных внутри матриц из горючего (полимера) частиц окислителя. Процесс горения СТРТ включает в себя, в виде подпроцесса, горение полимерного связующего. Полимеры относятся к классу веществ, газифицирующихся при горении. Они имеют температуру разложения ниже температуры кипения и поэтому образуют газообразные продукты горения в результате разложения. При диффузионном горении полимеров выделяют пять зон: зоны прогрева и реакции в конденсированной фазе, предпламенная зона и зона реакции в пламени, зона продуктов сгорания. Процесс горения полимеров в газовой фазе лимитируется массооб-менном диффузионного пламени, а газификация полимера - теплообменом от пламени к полимеру. Основное количество энергии передается конвективным и кондуктивным теплообменом [6,5].
Влияние коэффициента избытка окислителя на ионизацию при горении
В работе [19], показано, что при увеличении коэффициента избытка окислителя (а) от 0,4 до 1 в пропановоздушной смеси, происходит монотонное увеличение интегральных теплофизических характеристик пламени: объемной скорости тепловыделения и скорости горения. Распределения максимальных концентраций некоторых положительных ионов и электрического потенциала в определенной точке пламени, расположенной вблизи среза горелки, имеют явно выраженный экстремальный характер. Авторы отмечают, что экстремальный характер зависимости от а для предварительно приготовленных смесей углеводородов свойственен не только электрофизическим параметрам, но и концентрации атомарного водорода и радикалов Н02 [19,20], интенсивности свечения возбужденных частиц СН и Сг- Область существования экстремума во всех случаях соответствует а=0,80-Ю,85. В работе [21] также получено, что концентрация атомарного водорода существенно зависит от состава пропан-воздушной смеси, и максимальная концентрация соответствует максимальной скорости горения при а=0,9.
Авторами [17] обнаружена экстремальная зависимость максимальных значений отрицательного электрического потенциала от коэффициента избытка воздуха в факеле смеси пропан-бутана с воздухом. При коэффициенте избытка воздуха в смеси равном 0,9 значение потенциала максимально.
Результатом работы [22] по изучению зависимости электрического потенциала факела в лабораторной камере сгорания от расхода окислителя является обнаружение зоны в факеле пламени, где электрический потенциал при изменении расхода не меняет своего знака.
Характер изменения электрического потенциала и концентрации радикалов от расхода окислителя подтверждает взаимосвязь ионизационных процессов и процессов образования радикалов в области горения.
Общепринятой в настоящее время является точка зрения о том, что влияние инертных добавок на процесс горения заключается в изменении теплоотво-да из пламени за счет изменения теплопроводности горючей смеси, ведущей, в конечном счете, к изменению скорости горения.
В работе [23] показано влияние природы инертной добавки на ионизацию при горении. Эксперименты проводились на ламинарном пламени, стабилизированном на круглой металлической горелке, диаметром 10 мм при атмосферном давлении. В смесь пропан-бутана с воздухом вводились инертные газы Аг и Не, объемная концентрация которых составляла не более 5%, что позволяет, в первом приближении исключить влияние изменения теплоемкости и теплопроводности реагирующей смеси. Показано, что при введении в пламя аргона и гелия сужается область распределения положительных ионов Н30, уменьшается максимальное значение его концентрации. На данный процесс введение гелия оказывает более сильное воздействие. Как показано ранее НзО+ участвует в процессах рекомбинации, протекающих в пламени. Более резкий спад концентрации НзО+ при введении инертных газов, что указывает на участие последних в процессах рекомбинации заряженных частиц.
Влияние азота и аргона на распределение положительных и отрицательных ионов в пламени при атмосферном давлении изучено авторами работы [24]. Горючая смесь имела в своем составе пропан, бутан, кислород, азот и аргон, причем, содержание двух последних варьировалось так, что сумма их расходов оставалась постоянной. Выявлена сильная зависимость концентрации ряда положительных и отрицательных ионов от соотношения азот/аргон в смеси. Практически во всех случаях наблюдалось снижение концентрации ионов в пламени по мере замещения азота аргоном. Обнаружена разная степень влия ния азота на хемиионизационные процессы при различных коэффициентах избытка окислителя. Также указывается влияние замещения азота аргоном на процессы образования радикалов в работе [25]. Экспериментально установлено, что концентрация атомов Н в первом пике распределения, наблюдаемом вблизи фронта пламени, при 01=0,7 по мере замещения N2 на Аг падает, а при а=1,0 растет величина второго пика - в зоне догорания, выходя при этом на насыщение. Также выдвинуто предположение о возможности существования двух различных механизмов участия N2 в процессе горения, обусловленных составом смеси.
При замене N2 на Аг изменяются константы скорости тримолекулярных реакций из-за разной эффективности N2 и Аг, как третьих частиц и прекращаются реакции в которых N2 участвует как реагент. Обнаружено три вида ионов, на которых замена N2 на Аг оказывает влияние: полиароматические ионы (ПАИ) типа С)3Н3+, Сі3Нц+ и др., легкие ионы, например, С3Н3+, азотосодержа-щие ионы: NO+, NH4+, NH30+ и т.п [26].
Концентрация С3Нз+ и других легких ионов, образующихся во фронте и являющихся в сажеобразующих пламенах предшественниками полиароматических ионов, при замене азота на аргон уменьшается. Относительная концентрация ПАИ типа С3Ніз+ в области сажеобразования при коэффициенте избытка окислителя 0,45, достигает максимума при замене 25% азота на аргон, а затем быстро падает. Концентрация более тяжелых ионов при этом возрастает [26].
Методика проведения эксперимента и обработки экспериментальных данных
Исходя из значения а0, на срезе трубки подачи горючего формируется пламя требуемой формы. Далее микрометром устанавливается глубина погружения зонда (термопары) в пламя. Устройство позиционирования вносит зонд на заданную глубину на время, определяемое таймером. После срабатывания таймера зонд извлекается из пламени. Микрометром устанавливаем координату следующей точки, снова запускаем таймер и т.д. После прохождения всего цикла измерения по горизонтальному уровню, трубка горючего опускается ниже на заданную высоту h. Цикл измерений повторяется. Сетка проведения эксперимента приведена на рис. 9. Шаг по оси R составляет 0,5 мм, по оси Н - 1 мм. Точность позиционирования определяется систематической погрешностью микрометра и штангенциркуля, соответственно Аг=0,01 мм и Ah=0,l MM. В Среднем При ЗОНДИрОВаНИИ ОДНОГО окислитель" пламени снимается значения электрического потенциала (температуры) около 200 точек в области горения.
По известным значениям потенциала в точках пламени, на основе численных методов, предложена методика расчета напряженности электрического поля и концентрации заряженных частиц. Рассмотрим величину потенциала (р в двух близких точках Pi(x,y,z) и P2(x+dx, y+dy, z+dz). Изменение ф при переходе из первой точки во вторую имеет следующий вид: дер , dq , дер d(p = -L-dxJr-J-dy + —!-dz дх ду dz (1.1) С другой стороны опираясь на определение электрического потенциала как р2, = - \Eds, выражаем d(p в следующем виде: d(p--Eds (1-2) Бесконечно малое смещение вектора ds равно xdx+ydy+zdz. Таким образом, отождествив Ё с -V p, получим, что электрическое поле равно отрицательному значению градиента потенциала: Ё = -У р (1.3) В декартовых координатах эта связь выражается равенством: E -grad -d j -A (1.4) ox оу OZ
При рассмотрении полей, создаваемых макроскопическими зарядами, т.е. зарядами образованными огромным числом элементарных зарядов, отвлекаются от дискретной структуры этих зарядов и считают их распределенными в пространстве непрерывным образом с конечной всюду плотностью. Объемная плотность заряда р определяется по аналогии с плотностью массы, как отношение заряда dq к физически бесконечно малому объему dV, в котором заключен этот заряд:
В данном случае под физически бесконечно малым объемом нужно понимать такой объем, который с одной стороны, достаточно мал для того, чтоб плотность в пределах его можно было считать одинаковой, а с другой стороны достаточно велик для того, чтобы не могла проявиться дискретность заряда. Определив плотность заряда в некотором объеме, и разделив это значение на единичный заряд, получим количество зарядов в данном объеме. Для доказательства существования связи между потенциалом электрического с полеобра-зующим зарядом необходимо сделать промежуточные выкладки доказав наличие связи между напряженностью и плотностью заряда в некотором бесконечно малом объеме. Для этого воспользуемся теоремой Гауса, устанавливающей связь между потоком вектора напряженности эклектического поля через замкнутую поверхность и алгебраической суммой заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на є0. 0E=JEdS = -flg, (1.6) S Є0 =1
Зная плотность в каждой точке пространства, найдем суммарный заряд, заключенный внутри замкнутой поверхности S. Для этого необходимо вычислить интеграл от р по объему, ограниченному поверхностью: ! , = \pdV (1.7) v Таким образом, формула (1.7) преобразуется к виду: JEdS = — \pdV (1.8) S єо V Заменим поверхностный интеграл объемным, используя теорему Остро-градского-Гауса jadS = VadV, получим: I є, \VEdV = — \pdV (1.9) V
Соотношение (1.9), должно выполняться для любого произвольно выбранного объема V. Это возможно лишь в том случае, если значения подынтегральных функций в каждой точке пространства одинаковы. Следовательно, дивергенция вектора Ё связана с плотностью заряда в той же точке определяется равенством:
Тепловая структура пламени, инертная добавка в составе окислителя - Аг
Распределение температуры в режиме недостатка окислителя для ао=0,4 представлено на рис. 22. Максимальная температура пламени составляет 1170 К. Область ее локализации расположена во фронте пламени, в зоне голубого свечения. На оси симметрии потоков наибольшее значение температуры (900 К) зафиксировано в верхней части пламени. По направлению к срезу трубки горючего происходит снижение температуры до 800 К в средней части пламени. Вблизи среза трубки горючего значение температуры составляет около 700 К. Наибольший градиент температуры наблюдается в направлении от области подачи окислителя во фронт пламени.
При коэффициенте избытка окислителя равном 0,7 реализуется пламя цилиндрической формы. Распределение температуры в данном пламени представлено на рис. 23. Практически отсутствует зона голубого свечения в нижней части пламени.
Область максимальных температур располагается вдоль фонта пламени на уровне зоны ярко-желтого свечения. Средняя температура вдоль фронта пламени со стороны подачи окислителя составляет 1100 К. Величина максимальной температуры пламени составляет 1260 К. На оси симметрии потоков при движении от среза трубки горючего до зоны ярко-желтого свечения происходит возрастание температуры от 800 К до 1000 К. Вблизи среза трубки горючего, в зоне темно-синего свечения, величина температуры составляет 800 К, на переходе в зону оранжевого свечения ее значение равно 900 К. Температура в зоне ярко-желтого свечения лежит в интервале 1000-4100 К.
В пламени колоколообразной формы (рис. 24) реализуемом при а0=1,5 максимальное значение температуры составляет 1200 К. Данная область располагается в средней части зоны ярко-желтого свечения. Непосредственно над срезом трубки горючего в зоне темно-синего свечения температура пламени составляет 800 К. При движении вверх по потоку значение температуры увеличивается и достигает 1000 К при переходе в зону оранжевого свечения. Средняя часть пламени имеет температуру порядка 1100 К. За границами фронта пламени происходит плавное снижение значения температуры.
В блюдцеобразном пламени с инертной добавкой аргона в составе окислителя (рис. 25) источники тепла сосредоточены в средней части пламени, вблизи фронта, в средней части зоны ярко-голубого свечения, на таком же расстоянии (2,5 мм), что и для пламени с инертной добавкой азота. В верхней половине пламени оранжевое свечение, характерное для пламени с добавкой азота в составе окислителя, приобрело более интенсивный оранжево-желтый цвет, видна четка граница вдоль фронта, разделяющая оранжевое свечение и синий фронт пламени с внешней стороны.
В цилиндрическом пламени (рис. 26) источник выделения тепла находится на высоте 5 мм от среза трубки горючего, на том же уровне, что и источник тепла в цилиндрическом пламени с инертной добавкой гелия в составе окислителя. Излучение пламени подобно пламени с добавкой гелия в составе окислителя: ярко-желтое в верхней части пламени, в области близкой к срезу горелки свечение практически отсутствует.
В пламени колоколообразной формы (рис. 27), как и для пламен с добавкой азота и гелия в составе окислителя при а0 1, источник тепла находится на оси симметрии горелки в средней части зоны ярко-желтого свечения. Удален от среза трубки горючего на расстояние 7,5 мм. Сверху вниз до середины пламени преобладает ярко желтое свечение. Для данного пламени нижняя часть имеет темно-синее свечение. Видимый фронт пламени в нижней части имеет ярко-голубое свечение.
Распределение электрического потенциала в области горения определяется следующими процессами: химическими реакциями образования и гибели заряженных частиц, конвективным и диффузионным переносом и переносом заряженных частиц электрическим полем [60-62]. На основании данных о распределении электрического потенциала [58] в области горения получены рас положения областей локализации положительно и отрицательно заряженных частиц, построены линии напряженности собственного электрического поля пламени.
В режиме недостатка окислителя реализуется блюдцеобразное пламя. Распределение электрического потенциала в режиме недостатка окислителя для ао=0,4 представлено на рис. 28. Область локализации отрицательного электрического потенциала сосредоточена во фронте пламени в зоне голубого свечения. Максимальный отрицательный потенциал (125 мВ) обнаружен вне зоны голубого свечения вблизи области максимальных температур. Область внутри пламени имеет положительный потенциал с максимальным значением 99 мВ.
Для цилиндрического пламени (ао=0,7, рис. 29) описанная картина качественно сохраняется, но положительный потенциал занимает почти всю внутреннюю область пламени, ограниченную фронтом и трубкой горючего. Область, расположенная над срезом трубки горючего имеет положительной потенциал с максимальным значением 300 мВ. Максимальное значение потенциала (360 мВ) достигается в зоне оранжевого свечения (800-900 К) в средней части пламени. Область отрицательного потенциала сосредоточена со стороны подачи окислителя вдоль фронта пламени. Распространяется до середины зоны ярко-желтого свечения, на всем протяжении, проникая через фронт внутрь пламени. Площадь области проникновения уменьшается при движении по потоку от среза трубки горючего. Области с максимальным значением отрицательного потенциала (390 мВ) расположена вблизи видимого фронта пламени (1100-1300 К) несколько выше по потоку области максимального положительного потенциала. В области максимальных температур (1350-1450 К) находится область отрицательного потенциала со значениями в интервале 100-К200 мВ.
Влияние коэффициента избытка окислителя на температуру области горения
Источник выделения тепла в пламени с недостатком окислителя находится во фронте пламени в зоне ярко-голубого свечения.
В пламенах с избытком окислителя ярко-голубое свечение наблюдается в нижней части пламени в виде узкой полоски, вблизи фронта высота которой равняется 1/5 высоты пламени. Источник выделения тепла находится на оси симметрии в верхней части пламени, зоне ярко-желтого свечения.
Различия в положении источников тепла в зависимости от а0, говорят о различиях в механизме процесса горения богатых и бедных пламен. Для пламен углеводородных топлив характерна конверсия молекул топлива в предпламенной зоне [11].
В богатом пламени дробление молекул горючего протекает при ограниченном количестве кислорода. Поэтому в предпламенной области может нака пливаться большое число углеводородных радикалов. Эти частицы пересекают границу зоны свечения, уширяя и охлаждая ее.
Зона свечения в колоколообразном пламени (высокотемпературная зона) начинается с момента, когда в потоке все топливо конвертировало в СО и Н2, концентрации атомов водорода и других радикалов в этой зоне имеют максимум [64]. Свечение нижней части пламен с а0 1 сходно со свечением пламен с а0 1. Для данных режимов горения, в нижней части пламени обнаруживается зона темно-синего свечения, где горение происходит при недостатке окислителя. На оси симметрии температура имеет минимальное значение. При движении в направлении нормали от оси, температура возрастает до некоторого максимального значения, это зона стехиометрического соотношения горючего и окислителя, в пламени здесь наблюдается зона ярко-голубого свечения. При дальнейшем удалении от оси происходит снижение температуры до температуры потока окислителя. Таким образом, зона ярко-голубого свечения это зона стехиометрического соотношения окислителя и горючего.
Экспериментальные данные по изучению электрической структуры пламени показали, что внутри пламени распределение зарядов упорядоченно, что приводит к наличию положительно и отрицательно заряженных зон [9]. Образование заряженных частиц происходит в хемилюминесцентной области пламени в результате хемиионизационных процессов [7], ведущих к образованию первичных ионов СНО+ и СзНз+ и электронов, которые способны ионизировать и другие молекулы с образованием положительно и отрицательно заряженных ионов, согласно [12]: 02", 03", 04", С03", С04", N02-, N03" и Н30+, СН3+ С2Н20+, С3Н3+, NO+. В области над срезом трубки горючего, предполагается [13] протекание реакций CmHn+02— CmHn„i++H02" с образованием положительных и отрицательных ионов.
Электрическая структура пламени обусловлена процессами образования и гибели заряженных частиц, конвективным и диффузионным переносом и переносом заряженных частиц электрическим полем в области горения.
Нами показано, что электрическая структура пламени и максимальные величины положительных и отрицательных потенциалов определяются коэффициентом избытка окислителя, влияние инертных добавок на процесс горения не сводится к изменению теплоотвода из пламени за счет изменения и теплопроводности горючей смеси, ведущей, в конечном счете, к изменению скорости горения. Величина максимальных значений потенциалов и интенсивность процесса сажеобразования в пламенах зависит от природы инертной добавки.
При постоянной объемной концентрации инертной добавки в смеси горючее-окислитель-инертная добавка, максимальные значения положительного и отрицательного значения потенциалов при использовании Не, N2, Аг наблюдаются при ао 0,7, то есть для пламен близких к стехиометрии. Авторами [17] также обнаружена экстремальная зависимость максимальных значений отрицательного электрического потенциала от коэффициента избытка воздуха в факеле смеси пропан-бутана с воздухом. При коэффициенте избытка воздуха в смеси равном 0,9 его значение максимально.
В интервале изменения ао=0,4-К,5 область горения диффузионного пламени пропана и кислорода с инертной добавкой Не имеет более высокие максимальные величины положительного и отрицательного потенциала, по сравнению с N2 и Аг во всем интервале изменения ос0, где они имеют приблизительно равные значения максимального потенциала. При использовании инертной добавки Аг, по сравнению с N2, величина максимальных значений отрицательного потенциала несколько выше. Это объясняется влиянием природы инертной добавки на ионизационно-рекомбинационные процессы, происходящие в пламени.
