СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ СКОРОСТИ ГОРЕНИЯ
METHOD TO INCREASE BURNING SPEED

Изобретение относится к области энергетики, в частности к способам интенсификации процессов сжигания горючих смесей, и может быть использовано при сжигании топлива в различных теплоэнергетических установках.
Величина скорости горения в пламени определяет максимальную мощность, которую можно получить от данного устройства, будь то ручная горелка или авиационный двигатель. Величина скорости горения в приготовленной смеси окислителя и горючего зависит от химических свойств используемых веществ и температуры пламени, которая, в свою очередь, также определяется химическими свойствами компонентов топлива и условиями теплоотвода в данном устройстве. Таким образом, для каждого устройства существует максимальная скорость горения, которую можно достичь при использовании заданных компонентов топлива.
Для увеличения скорости горения (что необходимо, например, для увеличения максимально возможной скорости летательного аппарата) можно использовать следующие пути: 1) подвод энергии от внешнего источника (SU 218083, F23D 14/48, 1968; RU 2064632, F23D 14/48, 1996); 2) повышение температуры в пламени или увеличение концентрации атомов и радикалов, определяющих скорость цепной реакции окисления горючего, что в известных способах достигается либо конструкционными особенностями горелочного устройства (RU 2287110, F23D 17/00, опубл. 10.11.2006; SU 1325959, F23D 14/04, 14/12, опубл. 20.02.1997; RU 2224176, F23C 9/06, опубл. 20.02.2004), либо введением в топливную композицию различных химических соединений, например циклопентадиенильных соединений марганца (RU 2205863, C10L 1/30, 1/18, 10.06.2003).
Наиболее близким к предлагаемому способу увеличения скорости горения является способ интенсификации горения путем подачи в зону горения топливной смеси активной окислительной среды дополнительными потоками, состоящими из смеси кислорода и озона либо только озона (RU 2318160, F23D 14/38, опубл. 27.02.2008 - прототип). Способ позволяет ускорять горение, что проявляется в уменьшении длины факела на 30% и изменении цвета пламени. Для реализации способа-прототипа требуется горелка сложной конструкции, которая также предложена в данном патенте.
Недостатками способа-прототипа являются: 1) производство озона в электрическом разряде - малоэффективный и капризный процесс. Так, например, известно, что увеличение энергии, вкладываемой в разряд для увеличения выхода озона, может привести, наоборот, к уменьшению его выхода вследствие повышения температуры в зоне разряда (Федотов В.Г., Таганов Н.Г., Гриневич Т.В. «О поглощении озона органическими растворителями. Роль переноса газа через поверхность раздела газ-жидкость». Химическая физика, 2010, т.29, №4, с.70-74); 2) недостатком этого способа является также использование кислорода, что приводит к удорожанию данного способа и делает его небезопасным.
Задачей изобретения является разработка более эффективного, простого и недорогого способа увеличения скорости горения (интенсификации горения), который позволит существенно увеличить скорость горения при сжигании топлива в различных технических устройствах, например таких, как ручная горелка бунзеновского типа или авиационный двигатель.
Решение поставленной задачи достигается предлагаемым способом увеличения скорости горения путем подачи в зону горения топливной смеси активной окислительной среды, в котором для подачи в зону горения активной окислительной среды в зоне горения топливной смеси организуют искровой разряд между острием проволоки, соединенной с положительным полюсом источника высокого напряжения, и поверхностью металлического тела, покрытой проводящей пастой, содержащей аммиачную, кальциевую, калиевую или натриевую селитру (азотнокислую соль натрия, калия, кальция или аммония), и соединенной с отрицательным полюсом источника высокого напряжения.
Проводящая паста, нанесенная на поверхность металлического тела, соединенную с отрицательным полюсом источника высокого напряжения, содержит клей, удерживающий кристаллы азотнокислой соли на металлической поверхности.
Проводящая паста, нанесенная на поверхность металлического тела, соединенную с отрицательным полюсом источника высокого напряжения, может содержать твердое горючее вещество или их смеси.
Организация искрового разряда в зоне горения компонентов топливной смеси приводит к многократному повышению температуры и к образованию большого количества активных частиц, ускоряющих цепные реакции окисления горючего, - известно (В.Н.Кондратьев, Е.Е.Никитин. Кинетика и механизм газофазных реакций, «Наука», Москва, 1974 г. стр.339-341), что электрический разряд в газах создает сверхравновесные концентрации атомов, радикалов и возбужденных молекул.
Главной проблемой при разработке предлагаемого способа было обеспечить высокую эффективность использования энергии, вкладываемой в искровой разряд, поскольку величина этой энергии всегда в дефиците в автономно работающем устройстве.
2
Многократное повышение эффективности использования энергии электроразряда в предлагаемом способе достигается благодаря возникновению положительной обратной связи между величиной тока искрового разряда и температурой поверхности проводящей пасты, содержащей азотнокислую соль. Под действием высокой температуры, создаваемой искровым разрядом, происходит разложение азотнокислой соли, и появляются частицы намного легче ионизуемые, чем молекулы исходной топливной смеси, в частности атомы кислорода, причем в метастабильном возбужденном состоянии (IS), атомы металла (Me), радикалы МеО, молекулы NO и NO (К.Неницеску. Общая химия. Перевод с румынского. Изд-во «Мир». Москва, 1968, с.423). Увеличение концентрации ионизованных частиц приводит к лавинообразному возрастанию тока искрового разряда, что, в свою очередь, сопровождается лавинообразным повышением температуры участка поверхности, на который воздействует искра, и увеличению скорости разложения соли. В итоге этот участок поверхности нагревается до весьма высокой температуры, так что появляется яркое точечное свечение поверхности.
Как показали экспериментальные исследования, вбрасываемые в пламя атомы кислорода и другие активные частицы - продукты термического разложения селитры - воздействуют на скорость реакции окисления в пламени достаточно сильно, что проявляется в существенном сокращении видимой длины пламени - более чем в два раза (см. фото на фиг.1). На фиг.1 приведены фотографии факелов пламени, полученных при сжигании бутановоздушной смеси в горелке бунзеновского типа: а) без организации искрового разряда в зоне горения; б) с искровым разрядом (паста содержала азотнокислую соль аммония). Измерение длины пламени производится от точки ввода активной окислительной среды до окончания интенсивного горения, о чем свидетельствует также цвет (яркость) пламени.
Для повышения температуры, достигаемой в результате воздействия электрической искры на поверхность проводящей пасты, содержащей азотнокислую соль, к пасте можно подмешивать твердое горючее вещество, например резину, сажу, серу или их смеси.
Для реализации предлагаемого способа увеличения скорости горения пригодна схема, представленная на фиг.2.
Разрядный промежуток между острием проволоки (1), соединенной с положительным полюсом источника высокого напряжения (ИВН) (2), и поверхностью металлического тела (трубки, пластины) (3), покрытой слоем проводящей пасты, содержащей азотнокислую соль (4), соединенной с отрицательным полюсом ИВН, располагается в зоне горения между внутренним (5) и внешним (6) конусами пламени таким образом, что оба электрода: и острие, и металлическое тело находятся вне пламени, но близко к нему (пламя едва не касается поверхности электродов). ИВН создает напряжение около 10-15 кВ, постоянное или импульсно-периодическое, достаточное для возникновения самопробоя в разрядном промежутке. Мощность ИВН должна составлять не менее 5 Вт, что обеспечивает достаточный ток в возникающих между электродами искрах. Под действием искрового разряда из разлагающейся азотнокислой соли в пламя выбрасываются высокоактивные частицы, что приводит к резкому ускорению химической реакции окисления горючего в зоне разряда, в результате граница пламени оказывается смещенной вниз - пунктирная линия (7).
Таким образом, предлагаемый способ позволяет существенно увеличить скорость горения при сжигании топлива и при этом отличается высокой эффективностью и простотой.