научная статья по теме ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ГОРЕНИЯ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫХ СМЕСЕЙ В ДОЗВУКОВОМ ПОТОКЕ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ МОЛЕКУЛ O2 В СОСТОЯНИЕ A1 G ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ Математика

Текст научной статьи на тему «ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ГОРЕНИЯ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫХ СМЕСЕЙ В ДОЗВУКОВОМ ПОТОКЕ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ МОЛЕКУЛ O2 В СОСТОЯНИЕ A1 G ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2009, том 424, № 6, с. 760-764

ФИЗИКА

УДК 541.126: 537.525

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ГОРЕНИЯ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫХ СМЕСЕЙ В ДОЗВУКОВОМ ПОТОКЕ ПРИ ВОЗБУЖДЕНИИ МОЛЕКУЛ 02 В СОСТОЯНИЕ а1А§ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ РАЗРЯДОМ

© 2009 г. В. В. Смирнов, А. М. Старик, О. М. Стельмах, Н. С. Титова, Д. Н. Козлов, В. И. Фабелинский

Представлено академиком О.Н. Фаворским 27.08.2008 г. Поступило 27.08.2008 г.

Воспламенение и горение большинства горючих смесей развивается через механизм цепных реакций [1]. Основными стадиями цепного процесса являются инициирование, продолжение и обрыв цепи. Для интенсификации процессов воспламенения и горения необходимо ускорить образование активных радикалов (атомов) - носителей цепи. За последние 20 лет были предложены различные методы воздействия на среду, позволяющие такое ускорение реализовать. Это диссоциация различных молекул (02, 03, КН3) излучением УФ-диапазона или воздействием высо-коэнергетичных электронных пучков, ионизирующего излучения, электрического разряда для формирования активных радикалов, интенсифицирующих стадию инициирования цепи [2-6], и, наконец, возбуждение реагирующих молекул либо лазерным излучением, либо электронами разряда, что дает возможность одновременно интенсифицировать как реакции инициирования, так и продолжения цепи [7-9].

Метод, основанный на возбуждении реагирующих молекул электронами разряда, представляется наименее энергозатратным и наиболее эффективным. Действительно, например, для диссоциации молекулы 02 и образования активных атомов О необходимо затратить 5.1 эВ. В то же время для возбуждения нижнего синглетного электронного состояния а1А^ молекулы 02 требуется всего 0.98 эВ. Ранее на основании численного моделирования было показано, что возбуждение молекул 02 в синглетные состояния а1А„ и

ь1 х

электрическом разряде может значитель-

Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской Академии наук, Москва Центральный институт авиационного моторостроения им. П.И. Баранова, Москва

но уменьшить температуру воспламенения и сократить длину зоны индукции в сверхзвуковом потоке для смеси Н2-02 [7, 9].

Однако вплоть до настоящего времени никаких экспериментальных подтверждений предсказанных эффектов получено не было. Целью данной работы является экспериментальное исследование на примере водородно-кислородной смеси возможности интенсификации воспламенения и горения путем возбуждения молекул 02 в состояния

a1A^g и Ь1 Х+

электрическом разряде.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Наиболее ярко цепной механизм воспламенения в смеси Н2-02 проявляется в диапазоне давлений, соответствующих второму пределу воспламенения (Р0 = 5-300 Тор) [1]. Поэтому представляет интерес исследовать влияние возбуждения

молекул 02 в синглетные состояния а1А^ и Ь1 Х+ на интенсивность протекания цепных реакций и на время задержки воспламенения именно при относительно низких давлениях смеси (Р0 = 5-20 Тор).

Эффективным источником возбужденных молекул 02 при таких давлениях является обычный тлеющий разряд. В зависимости от удельной энергии, вкладываемой в газ в таком разряде, мольная доля молекул синглетного кислорода 02(а1А^) в низкотемпературной кислородной плазме может достигать 3-12% [10, 11].

Для экспериментального исследования влияния синглетного кислорода на процесс воспламенения и горения был выбран метод, основанный на организации стационарного горения в проточном реакторе низкого давления, на вход которого раздельно подаются газообразные водород и кислород. Как показали предварительные расчеты, для обеспечения стабильного горения в стационарном режиме с положением фронта пламени на

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ГОРЕНИЯ ВОДОРОДНО-КИСЛОРОДНЫХ СМЕСЕЙ

761

удобном для наблюдения расстоянии ~50 см от начала зоны нагрева стенки проточного реактора должны иметь температуру Тцт =750-850 К при скорости протока стехиометрической или слегка обогащенной смеси и0 = 17-25 м/с и давлении смеси 10-20 Тор. Место расположения стационарной зоны горения регистрировалось специальной видеокамерой через прозрачные стенки реактора. Расстояние от начала зоны нагрева реактора до места расположения фронта пламени отождествлялось с длиной зоны задержки воспламенения Ьп, поскольку при таких низких давлениях газа смешение потоков Н2 и 02 происходит достаточно быстро. Возбуждение молекул кислорода в син-глетное состояние производилось с помощью тлеющего электрического разряда в ячейке, помещенной в магистраль подачи 02. В соответствии с проведенными расчетами возбуждение молекул 02 электрическим разрядом должно приводить к уменьшению длины зоны индукции Цп и, соответственно, к изменению места расположения фронта пламени. Следует, однако, отметить, что в разных сечениях реактора температура газа различна. Измерения профиля температуры газа на оси реактора Тах показали, что в случае осевой скорости потока и0 = 17 м/с при = 780 К она изменяется от 320 К на входе в реактор (х = 0) до 700 К (при х = 15 см), далее слегка увеличивается до 780 К (х = 58 см) и к выходу из реактора (х = 70 см) опять уменьшается до 320 К.

Генерация тлеющего разряда осуществлялась в кварцевой охлаждаемой водой трубке длиной 300 мм и внутренним диаметром 5.2 мм. Ток разряда менялся в пределах 2-30 мА, а напряжение от 5 до 3 кВ. С учетом прикатодного падения напряжения (~300 В) эти значения тока и напряжения при постоянном расходе кислорода через разрядную трубку О = 0.43 ммоль/с соответствуют удельной вкладываемой энергии Е8 = 60-250 Дж/ммоль. Разрядная ячейка соединялась с проточным реактором переходной "трубкой дрейфа" длиной 100 мм, которая также охлаждалась водой. Как разрядная ячейка, так и трубка дрейфа снабжены оптическими окнами для измерений эмиссионного спектра разрядной плазмы в диапазоне длин волн 600800 нм, на основании которого определялись концентрации возбужденных молекул 02(а1А^) и

02(Ь Х +), атомов О и температура газа на выходе из разрядной ячейки и на входе в реактор. Поскольку для характеризации разряда и концентрационных измерений достаточно обзорных спектров, а для измерения температуры необходимы спектры с разрешенной вращательной структурой, эмиссионное излучение из оптических окон регистрировалось с использованием двух полихроматоров (с дисперсией ~30 нм/мм и ~0.6 нм/мм), снабженных многоканальным фотодетектором.

Следует отметить, что состав кислородной плазмы существенным образом зависит от вели-

Е

чины приведенного электрического поля — , и помимо возбужденных молекул 02(а1А^) и 02(Ь Х +) низкотемпературная плазма тлеющего разряда содержит атомы 0 и молекулы 03. Максималь-

+ Е

ный выход 02(а1А^) и 02(Ь1 Х +) достигается при — =

= 1.1 • 10-16 В • см2 [11, 12]. При больших N

(>5 • 10-16 В • см2) энергия электронов идет в значительной степени на диссоциацию молекул 02. Поскольку для тлеющего разряда с давлением Р0 = 10-20 Тор характерна величина приведенного электрического поля ~(6-9) • 10-16 В • см2, то ясно, что в состав кислородной плазмы в таком разряде будет входить заметное количество атомарного кислорода. Расчеты с использованием модели [9] показывают, что в зависимости от энергии, подведенной к разряду (или вложенной в разряд), мольная доля атомарного кислорода может составлять 2-5%.

Как известно, атомы 0 являются одним из основных компонентов, участвующих в реакциях разветвления цепи в смеси Н2-02 (воздух). Поэтому для исключения влияния присутствия атомарного кислорода на процессы воспламенения и горения стенки разрядной ячейки и трубки дрейфа, подводящей поток активированных в разряде молекул 02 в реактор, покрывались оксидом ртути, на котором в результате каталитической реакции

Интенсивность, произв. ед. 1000 г

800

600

400

200

02

^Х+^Х-

2(а^) -Х3Х-(У = 0) + Х3Х- (V = 1)

2(а 1А-) -2{Х3Х-(У = 0)}

0

(3р5Р^~ (3p5S)

500

600

700 800

Длина волны, нм

Рис. 1. Эмиссионный спектр, регистрируемый из трубки дрейфа в случае покрытия стенок разрядной ячейки и трубки дрейфа ^0.

0

0 100 200 300 400 500 600 мм

Рис. 2. Фотография пламени в потоке Н2-02 в случае активации молекул 02 электрическим разрядом и без него.

Н§0 + 0 = Н§ + 02, Н§ + 0 = Н§0 происходит конверсия атомов 0 в молекулы 02 в основном электронном состоянии [13]. На рис.1 показан эмиссионный спектр низкотемпературной кислородной плазмы на входе в трубку дрейфа при давлении газа Р0 = 10 Тор и вложенной удельной энергии Е5 = 107 Дж/ммоль. Явно выделяющийся интенсивный пик на длине волны 762 нм соответствует радиационному переходу 02(Ь1 Е+) ^ 02(Х3 Е^) + Нv, где Н - постоянная Планка, V - частота излучения в центре спектральной линии. Заметны также две существенно более слабые линии, центры которых соответствуют длинам волн 634 и 703 нм. Эти линии так называемого "димольного" излучения отвечают переходам

02(а1А^) + 02(а1А^) ^ 202(Х Е^, V = 0) + Нv, 02(а1А^) + 02(а1А^) ^ 02(Х Е^, V = 0) +

+ 02(Х Е-, V = 1) + Нv.

Очень слабая линия, центрированная на длине волны X = 777.2 нм, соответствует переходу 3р5Р ^ ^ 3р5^ атомарного кислорода. По сравнению со случаем отсутствия Н§0 на стенках разрядной ячейки интенсивность этой линии уменьшилась более чем в 100 раз. Как показывают оценки, концентрация атомов 0 при нанесении Н§0 на стенки разрядной ячейки становится пренебрежимо малой величиной.

Таким образом, в потоке кислорода на входе в реактор наряду с молекулами 02 в основном электронном состоянии присутствуют только возбужденные молекулы 02(а1А^) и 02(Ь1 Е+), концентрация которых зависит от величины удельной энергии, подведенной к газу в разряде. Измерения показали, что при = 59.3, 107 и 246 Дж/ммоль мольная доля молекул 02(а1А^) перед зоной смешения потоков 02 и Н2 составляет 1.2, 3.9 и 6.2% соответственно, хотя на выходе из разряда она

примерно на 10% выше. Мольная доля 02(Ь1 Е+) на выходе из разряда достигает 0.1-0.8%, однако вследствие достаточно быстрого процесса тушения 02(Ь1 Е+) + М = 02(а1А^) + М (М = 02, 0, 03) она резко уменьшается и перед входом в проточный реактор не превышает 0.001%.

Существенное влияние на процесс воспламенения и горения может оказать температура прошедшего через разряд потока кислорода. Поэтому ее величина специ

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком