Влияние электростатического поля на макрокинетику горения алканов и керосина

С. М. Решетников, И. А. Зырянов

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ НА МАКРОКИНЕТИКУ ГОРЕНИЯ АЛКАНОВ И КЕРОСИНА

Ключевые слова: горение, электрическое поле, жидкое топливо.

Произведено исследование влияния электростатического поля на скорость диффузионного горения жидкостей - декана, додекана, тридекана и керосина. Показаны широкие возможности управлением процессом горения при локальном воздействии на отдельные зоны пламени. Воздействие поля на газовую фазу меняет форму факела пламени и протекание в нём хемоионизационныхреакций, что приводит к изменению скорости горения. При предварительной обработке электростатическим полем жидкой фазы наблюдается уменьшение интенсивности горения. Воздействие поля на раздел газовой и жидкой фаз приводит к аномальному, на порядок, увеличению скорости горения.

Key words: burning, electric field, liquid fuel.

There was been studied the influence of electrostatic field on the rate of diffusion combustion of liquids - decane, dodecan, tridecane and kerosene. The opportunities of combustion control are shown in the article. The effect of local field on the gas phase changes the shape of the flame and the hemoionizatsionnyh reactions in it that leads to a change in the speed rate of combustion. At the local radiation of the liquid phase by the field there could be seen observed decrease in the intensity of burning. The impact of the field on section of gas and liquid phases leads to abnormal, an order of magnitude increase in the rate of combustion.

Введение

На данном этапе исследований процесса горения отсутствует единый подход к описанию горения конденсированных веществ на уровне общепризнанной модели, хотя существуют модели, адекватно описывающие отдельные ситуации. Однако экспериментально полученные результаты о наличии электрических зарядов в объёме пламени, а главное, их пространственное разделение [1,2,3], делает заманчивыми попытки управления процессом горения с помощью внешних электрических воздействий на газофазную составляющую пламени.

Особенностью химической реакции при горении является то, что она определяется физикой хемоионизационных процессов. В результате этих процессов пламя представляет собой слабо ионизированную плазму. Она существенно отличается от плазмы, получаемой при повышенной температуре или электрическим разрядом. С точки зрения термодинамики, хемоплазма обладает огромной неравновесностью - концентрации заряженных частиц на 4-6 порядков больше, чем в расчётном равновесном состоянии, на основании чисто термического механизма ионизации[1].

Постановка задачи

Считается [4], что при воздействии электростатического поля на пламя возможно два механизма изменения параметров горения - это влияние «ионного ветра» и прямое воздействие поля на кинетику химических реакций в газовой фазе. В работе [5] рассмотрено влияние электрического поля на параметры горения предварительно перемешенной газовой смеси в камере с соплом Лаваля. Косвенные факторы при анализе результатов указывают, что имеет место существенная интенсификация химических процессов и увеличение, вследствие этого, полноты сгорания. С другой стороны, в работе [3] показано изменение формы пламени и пространственное перемещение зон локализации тепловыделения под действием внешнего поля.

Следует отметить, что в литературе не рассматривается влияние электрического поля на динамику фазовых переходов жидкостей и кинетику деструкции при горении конденсированных веществ.

Скорость диффузионного горения жидкостей определяется механизмом химической реакции в газовой фазе, интенсивностью фазовых переходов и диффузионных процессов, реализующихся при горении жидкости, и тепло- и массообменом между газовой и конденсированной фазами.

Рассмотрим теплообмен между пламенем и жидкой фазой, в большей части определяющий величину скорости горения. Заменим реальный фронт пламени эффективным плоским. Считаем, что тепло выделяется в бесконечно тонком слое на расстоянии XF от поверхности жидкости, пламя адиабатное. В системе координат, жестко связанной с поверхностью горения, уравнение теплопроводности запишется:

d2T т Cp dT

= 0,

dx2 X dx граничные условия: x=XF T=TF;

х=0 Т=Тз,

где Т F и Те -температуры пламени и поверхности жидкости соответственно, Ср и X-теплоёмкость и теплопроводность газовой фазы соответственно, ш - массовая скорость горения.

Решение уравнения с данными граничными условиями имеет вид:

т ср (ТР - Т5)[ехр(—^ х) -1]

Т = Те +----- —

т ср ехр{ —^ ХР} -1

X

* dT

Для нахождения теплового потока от пламени в жидкость q=Л

запишем

х=+0

баланс тепла в пламени, с учётом адиабатности - к-^

сіх

сіх

= гп ОР, где: Ор -

х=хр

тепловыделение в пламени.

Найдя производные ^Т при х= XF и х=+0, и с учётом уравнения баланса тепла в

dx

пламени, получаем:

т еп Ч = т Орвхп(—хр).

к

Массовую скорость горения определим, исходя из соотношения:

т ср

а Ор ехр{——1ХР}

т =— =-------------—-----,

аг № - То) + г} ’

где аг - теплота, необходимая для нагрева и испарения килограмма жидкости; С - удельная теплоёмкость жидкости, г- удельная теплота фазового перехода.

Несмотря на простоту модели, анализ полученного соотношения показывает пути управления скоростью горения. Это, прежде всего, изменение величины Хр (создание «ионного ветра») при помощи электрического воздействия на заряженные области пламени. Второй путь - изменение величины Ор, влияя на механизм газофазных реакций электростатическим полем. Можно усилить эти процессы, вводя в топливо синергетики, активирующие или ингибирующие влияние поля.

Для уменьшения или увеличения знаменателя в последнем выражении, возможно два подхода. Первый - это интенсификация фазового перехода. Для этого, надо воздействием поля на границу раздела фаз способствовать смене механизма испарения. Второй - это изменение свойств жидкости в результате предварительной обработки её электростатическим полем.

В данной работе поставлена задача - создать необходимые конфигурации электростатических полей для локального действия на определённые зоны горения жидкости, экспериментально найти изменение скорости горения в зависимости от места воздействия и величины электростатического поля, и дать интерпретацию полученных результатов.

Методика и результаты эксперимента

Область горения жидкости с открытой поверхности можно, исходя из химического состава и фазового состояния, условно разделить на три части. Зона а - зона взаимной диффузии газофазных компонентов горения и хемоионизационных процессов, зона б -зона паров горящей жидкости, зона в - зона жидкой фазы горючего.

В работе для исследования локального влияния электростатических полей на процесс горения применены конфигурации электродов, приведённые на рис. 1. Здесь

ситуация а) - один электрод расположен в горелке в жидкости, второй - сетка над пламенем, поле охватывает все зоны пламени (интегральное воздействие). В случае б) -

один электрод, расположен в горелке над жидкостью, второй - сетка над пламенем, между электродами исключена жидкость. В случае в) - поле плоского конденсатора (две параллельные сетки), в поле находится газообразная реакционная зона горения. Конфигурация г)- сетка в горелке (в парогазовой зоне); штыревой электрод сверху - при такой конфигурации электродов под сеткой реализуется электростатическое поле которое воздействует на поверхность раздела фаз. При конфигурации д) - поле плоского конденсатора в жидкости - производим предварительную обработку жидкой фазы электростатическим полем.

Расстояние между нижним электродом и сеткой в случае конфигурации электродов, представленной на рис. 1а) и рис. 1б), составляло 50 мм, нижний электрод располагается на 2 мм ниже уровня жидкости в случае (а) и на 6 мм выше уровня жидкости в случае (б). При использовании сетчатых электродов (рис. 1в)д)) расстояние между электродами составляет 30 мм в случае (в) и 20 мм в случае (д). При использовании конфигурации электродов по схеме представленной ни рис. 1 г) расстояние между электродами составляет

5 мм. Вертикальный электрод помещен в кварцевый капилляр. Штыревые электроды, применяемые в работе, изготовлены из нихромовой проволоки диаметром 0,2 мм.

Экспериментальная установка состоит из и образного сосуда, на одном конце которого припаяна колба, а второй конец представляет собой кварцевую трубку диаметром 14 мм, которая исполняет роль горелки. Диаметр колбы много больше диаметра горелки, что позволяет поддерживать постоянный уровень жидкости в горелке и создавать стационарное пламя. Внешнее электростатическое поле создается источником стабилизированного напряжения ВСВ-2. Эксперименты проведены в диапазоне напряжений от 0 до 2400 вольт.

Для нахождения расхода жидкости, который равен массовой скорости выгорания, к колену и образного сосуда вместо колбы подключается измерительная трубка с нанесенными на нее делениями, около трубки устанавливается секундомер. Трубка и секундомер фотографируются, и определяется расход жидкости. Исследовано горение в атмосфере воздуха предельных углеводородов - декана, додекана, тридекана, а также керосина. Скорость выгорания без электростатических полей регулируется изменением расстояния от поверхности жидкости до среза горелки. Для исследования горения различных жидкостей выбран режим скорости выгорания 6,5 г/м2с. Это связано с тем, что в данном режиме изменение ширины слоя пара в диапазоне 0-1,5 мм не приводит к существенному снижению скорости горения. Отдельно для декана произведены замеры в режиме скорости выгорания 9 г/м2с.

Для всех конфигураций электродов рассчитаны создаваемые ими электростатические поля, т.е. получены линии напряженности и эквипотенциальные поверхности. Расчёт произведён с помощью пакета программ БЕТЛНеЫБ.

Наложение электростатического поля на пламя по схеме, изображенной на рис.1а), приводит к снижению высоты факела. В случае подачи отрицательного потенциала на сетку, а положительного - на электрод, наблюдается незначительное увеличение высоты пламени в момент включения поля, в дальнейшем происходит снижение высоты пламени. Для обратного направления поля наблюдается снижение высоты пламени без предварительного увеличении в начальный момент.

При положении штыревого электрода выше уровня жидкости на 6 мм, (рис. 1 б) при положительном потенциале на сетке наблюдается увеличение высоты пламени и возникновение неустойчивых апериодических колебаний. Поле обратной полярности не взаимодействует с пламенем.

Произведенные замеры скорости горения декана при различных положениях электрода - конфигурации электродов 1а и 1б - приведены на рис. 2. При положении вертикального электрода ниже уровня жидкости наблюдается снижение скорости выгорания топлива при обоих направлениях поля. Кривая 1 - поле направлено вертикально вверх, кривая 2 - вниз.

При установке электрода выше уровня жидкости и подаче на него положительного потенциала изменение скорости выгорания не наблюдается (кривая 3 рис.2). При подаче на электрод отрицательного потенциала, скорость горения может увеличиться в два раза (кривая 4 рис.2).

ш, г/м2с 18 16 14 12 10 8

X _ 4*

г «»• «'•

ж ♦ 1

С'  2 Д 3

«•* и"» т" X 4

3 5 Н- 1*.' Д к

А Л Л

N. рчз

0

500

1000 1500 2000 У, В

Рис. 2 - Изменение скорости выгорания декана в электростатических полях при схемах расположения электродов по рис. 1а, 1б

При наложении поля при конфигурации электродов в соответствии со схемой на рис. 1е), т.е. на реакционную газовую зону, изменение геометрии фронта пламени происходит так же, как и для пламен газообразных горючих описанных в [3]. Поле, вектор напряженности которого направлен по потоку горючего, вызывает незначительное увеличение высоты пламени. Когда вектор напряженности внешнего поля направлен против потока горючего, факел приобретает форму полусферы. На рис.3 представлен график зависимости скорости выгорания жидкостей от величины напряженности приложенного поля. Здесь и далее вектор напряженности поля принят положительным, когда он направлен к срезу трубки горючего. С увеличением напряженности внешнего поля одновременно с уменьшением высоты пламени наблюдается увеличение скорости горения. Для противоположного направления поля пламя вытягивается, но заметного изменения скорости не наблюдается.

Наиболее значительное увеличение скорости горения жидкости наблюдается при расположении электродов по схеме рис.1г). При наложении поля меняется цвет пламени, структура, появляются пульсации и колебания, длина факела возрастает в 5-10 раз по отношению к пламени без поля. Одновременно с резким увеличением высоты пламени наблюдается аномально большое увеличение скорости выгорания жидкости (рис.4). Уже при напряжении между электродами 500В наблюдается увеличение скорости выгорания

жидкости более чем в 2 раза по отношению к скорости выгорания без поля. Направление напряженности поля в пределах ошибки не влияет на экспериментальную зависимость скорости горения от интенсивности поля.

¿ь

додекан х три декан о декан ±?г “ 7 о

1^  д

п г

-V ог . 1, р! Л

Ор < >

; ° ' и С [X

да1 У

-100 -ВО -60 -40 -20 0 20 40 60 ВО 100

Е,кВ/м

Рис. 3 - Изменение скорости выгорания при наложении поля плоского конденсатора на зону реакции в газовой фазе

во - * * °

ля * Эи А * + » &

*. „ О х #

5 К * Ь ° Л к * декан * дол е та і трщдбкан р «ероси н

і * А * ' хї* *

ті . а 1 и , 9- ; -

-60 *40 -20 О 20 40 £,кВм

Рис. 4 - Скорость выгорания жидкости в электрическом поле созданном на границе раздела фаз

Действие электростатического поля на углеводородную жидкость путём предварительной обработки перед горением по схеме расположения электродов рис.1д), дает совершенно противоположный результат. При наложении поля плоского конденсатора на жидкую фазу происходит снижение высоты пламени и скорости горения для всех исследованных жидкостей. Графики зависимости скоростей выгорания жидкостей от напряженности приложенного поля представлены на рис.5. Видно, что скорость горения может уменьшиться втрое. Направление напряженности поля при предварительной обработке жидкости не влияет на подавление горения в пределах ошибки эксперимента.

^ с т, г/м2с

6;5 І ' —

ь,ь - Л; < додекан і тридекан 5 керос ин

1 о ? г г І і

УЧ <1 Р и, ч / <Ю

А £ 1 V і .

Д X 4,0 X д

С > 4 ^ г А

X 0,0 л \ .. ¿-1 X X

X о о о г о

о — о

250 -150 -50 50 150 Е,кВ/м

Рис. 5 - Скорость выгорания при предварительной обработке электростатическим полем жидкой фазы

Обсуждение результатов

Проведённые эксперименты по влиянию локального воздействия на горящую жидкость внешним электростатическим полем показывают широкие возможности управления скоростью горения.

Рассмотрим зону пламени. При горении газообразная реакционная зона состоит из двух частей. Первая, по периметру горелки, сине-голубого цвета и вторая, в центре -жёлтая. Жёлтая зона, как показали наши замеры по методике [2], имеет максимальную температуру и положительный потенциал порядка 150 мВ. Сине-голубая - практически нейтральна и не взаимодействует с внешним полем. При воздействии поля, направленного к срезу горелки, по схеме 1в), жёлтая зона прижимается к жидкости и становится почти плоской, выходя даже за пределы горелки. Вследствие этого уменьшается Хр, и увеличивается скорость горения жидкости. При обратном направлении напряженности поля скорость горения, как показано на рис. 3, не изменяется. Молярная масса горючего не влияет на полученные зависимости.

При наложении поля только на жидкую фазу по схеме 1д) скорость горения понижается. Это понижение не зависит от полярности поля и может существенно, до трёх раз, в зависимости от напряженности поля, уменьшить скорость горения. Пламя, при воздействии на жидкую фазу, уменьшается и прижимается к жидкости, жёлтая часть пламени - зона наибольшей температуры - почти исчезает. Наблюдаемый результат - это влияние обработки жидкости полем на параметры её испарения и горения. Для физической интерпретации этого явления требуются дополнительные исследования.

При интегральном воздействии полем на пламя по схеме 1а происходит снижение скорости горения. Суммарное влияние поля при одновременном воздействии на отдельные зоны горения не есть результат аддитивного сложения эффектов влияния на каждую из них. При воздействии поля на жидкость, электрод внутри жидкости (схема рис.1д), она

изменяет свои параметры, что приводит к подавлению горения. Внешнее поле в газовой фазе после этого бессильно увеличить скорость горения, потому, что жёлтая, заряженная и наиболее калорийная зона исчезла. Вышесказанное подтверждается результатами экспериментов по схеме 1 б) Здесь, по сравнению с 1 а), предварительная обработка жидкой фазы не производится, нижний электрод расположен выше жидкости. Скорость горения при этом увеличилась и её зависимость от электростатического поля стала аналогичной зависимости на рис. 3.

Приведенные выше результаты при воздействии полем по схеме 1г) показывают резкое увеличение скорости горения, идет очень мощный переход жидкости в газообразную или газокапельную фазу. Проведённые замеры температуры в зоне испарения показывают, что наряду с увеличением газификации при наложении поля, понижается температура в газовой фазе зоны фазового перехода. На срезе горелки на расстоянии 5 мм от поверхности жидкости это понижение более чем на 100 К.

Авторы работы [6], анализируя теоретические и экспериментальные результаты, отмечают, что при горении жидких веществ поверхностный слой может находиться в перегретом метастабильном состоянии. Поэтому описание процесса вскипания необходимо рассматривать как вскипание растянутых жидкостей, т.е. фазового перехода системы, находящейся вблизи границы термодинамической устойчивости - спинодали. При быстром протекании фазовых переходов жидкость - пар одна или обе сосуществующие фазы оказываются вне области устойчивых состояний и активное испарение происходит при достижении жидкостью температуры спинодали. Модель развитого испарения при метастабильности жидкости разработана в [7,8], где рассмотрен процесс взрывного превращения метастабильной жидкости в гетерофазную систему. Моделирование взрывного вскипания рассмотрено в [9]. Авторы [10] показали, что в сильных электрических полях возможен распад диэлектриков на газовую фазу для вещества, находящегося первоначально в лабильном, метастабильном и даже стабильном состояниях.

При рассмотренном процессе воздействие на место контакта жидкой и газовой фаз электростатического поля приводит к аномальному изменению скорости горения при уменьшении температуры в районе фазового перехода. Это возможно только при замене процесса испарения жидкости переходом системы из жидкого состояния в гетерофазное.

Об этом говорит высокое пламя, которое возможно только при сгорании парокапельный смеси и, главное, понижение температуры фазового перехода. Переход в гетерофазное состояние требует значительно меньше энергии, чем испарение. Поскольку жидкость при горении находится в метастабильном состоянии [6], то при наложении внешнего достаточно сильного электростатического поля, в соответствии с [10], создаются возмущения плотности однородного состояния, которые вводят в действие механизм взрывного вскипания, описанный в [7], и к переходу из жидкого состояния в гетерофазное

- парокапельное.

Заключение

В результате анализа проведённых экспериментов по влиянию локального действия электростатических полей на различные зоны горящих алканов и керосина можно сделать следующие выводы:

а) электрическое поле при взаимодействии с положительно заряженной областью хемоплазмой пламени способно прижимать последнюю к поверхности жидкости, что приводит к увеличению, до двух раз, скорости горения;

b) предпламенная обработка электростатическим полем исследованных жидкостей

приводит к подавлению интенсивности пламени, исчезновению центральной

высококалорийной области и уменьшению, до трёх раз, скорости горения;

c) воздействие полем из паровой зоны на поверхность раздела фаз приводит к замене режима испарения жидкости режимом перехода жидкости в гетерофазное состояние по механизму взрывного кипения, что резко, на порядок, увеличивает скорость горения.

Литература

1. Степанов, Е.М. Ионизация в пламени и электрическое поле / Е.М. Степанов, Б.Г. Дьячков - М.: Металлургия, 1968. -311 с.

2. Решетников, С.М. Влияние расхода компонентов на эмиссионные свойства диффузионных пламён коаксиальных струй/ С.М. Решетников, А.С. Бобров // Изв. вузов. Авиационная техника. -2007. - №4. - С. 68-69.

3. Бобров, А.С. Влияние электрического поля на тепловую структуру диффузионного пламени коаксиальных струй: автореф... дис. канд. тех. наук 01.04.14./ А.С. Бобров - Киров: ВятГУ, 2008,

- 23с.

4. Кавера, А.Л. Исследование состояния вопроса о процессах горения в электрическом поле. /

A.Л. Кавера // Вют1 Донецького прничного шстггуту. - 2005.-№1. - С.182-187.

5. Черепнин, С.Н. Влияние внешнего электрического поля на параметры горения и электризацию сопла энергетической установки/ С.Н. Черепнин, В.Н. Дашевский // ФГВ. - 1990. - № 6. - С. 74-78

6. Васильев, А.Н. Влияние метастабильности на горение жидких веществ/ А.Н. Васильев, Н И. Храмов //ФГВ. - 1982. - №1. - С.136-139.

7. Карлов, Н. В. Метастабильность жидкой фазы в условиях развитого испарения конденсированных сред/ Н.В. Карлов, Б.Б. Крынецкий, В.А. Мишин, А.А. Самохин //Письма в ЖЭТФ. - 1974. - Т.19. - вып.2. - с.111-114.

8. Скрипов, В.П. Теплофизические свойства жидкостей в метастабильном состоянии /

B.П. Скрипов, Е. Н. Синицын, П. А. Павлов, Г. В. Ермаков, Г. Н. Муратов, Н. В. Буланов,

B.Г. Байдаков - М: Атомиздат,1980. - 208 с.

9. Андреев, С.Н. Моделирование взрывного вскипания при импульсно лазерном воздействии /

C.Н. Андреев, С.В. Орлов, А.А. Самохин // Труды ИОФАН - Т.60. - С.127-148.

10. Куперштох, А.Л. Анизотропная неустойчивость жидких диэлектриков к распаду жидкость-пар в сильных электрических полях / А.Л. Куперштох, Д.А. Медведев // Письма в ЖЭТФ. - 2006. - Т. 32.- С.72-80.

© С. М. Решетников - д-р техн. наук, проф. каф. физики Вятского государственного университета, rsm@e-kirov.ru; И. А. Зырянов - асп. каф. физики Вятского государственного университета, b185@mail.ru.