ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 1, с. 23-28
УДК 533.92
КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОКИСЛЕНИЯ Al ПАРАМИ ВОДЫ В ГЕТЕРОГЕННОЙ ПЛАЗМЕ. ГЕТЕРОФАЗНАЯ КИНЕТИКА © 2015 г. В. А. Битюрин, А. И. Климов, О. В. Коршунов, В. Ф. Чиннов
Объединенный институт высоких температур РАН, Москва E-mail: O.v.k@inbox.ru, v_chinnov@oivtran.ru Поступила в редакцию 14.12.2013 г.
Кинетическая модель газо- и гетерофазных плазмохимических процессов, идущих в рабочей зоне реактора, распространена на процессы испарения алюминия с поверхности микрочастиц, что позволяет получить средние значения плотности потока и времени испарения. Показано, что баланс атомов Al в рабочей зоне определяется гетерогенными процессами испарения легкоплавкого алюминия и налипания тугоплавких окислов — доминирующей алюмосодержащей компоненты плазмы. Экспериментально получено время пролета микрочастицами рабочей зоны газоразрядного алюмоводяного реактора с прокачкой, которое в создаваемых условиях совпадает со временем выгорания алюминия в микрочастицах. Установлены механизмы выгорания и размножения микрочастиц (испарение и микро-взрывы), снижающие их средний размер в рабочей зоне со 100 до 10 мкм.
DOI: 10.7868/S0040364414060040
ВВЕДЕНИЕ
Данное исследование дополняет предложенную в первой части работы [1] кинетическую модель газоразрядной плазмы в потоке водно-паровых смесей с алюминиевыми микрочастицами. Оно посвящено в основном гетерофазной кинетике этой плазмы и основано на полуколичественной интерпретации экспериментальных данных, полученных в [2] и других наших работах (см. [1]). Сложность объекта предполагает ограниченные возможности такого рода исследования, предпринятого в данной статье, по-видимому, впервые и не претендующего на исчерпывающую полноту описания свойств гетерогенной плазмы.
Экспериментальная установка, методики и результаты измерений приведены в [1, 2] и цитируемых там работах. Здесь приведем два новых экспериментальных результата, важных для проводимого ниже анализа гетерогенных процессов окисления микрочастиц А1 в алюмоводяном плазмохимиче-ском реакторе:
— химический анализ состава отработанных микрочастиц показывает практически полное выгорание алюминия за время пребывания в реакторе;
— оценка по данным видеонаблюдения за микрочастицами дает время пролета ими рабочей зоны т ~ 30 мс.
ОСОБЕННОСТИ ГОРЕНИЯ И РАЗМЕРЫ МИКРОЧАСТИЦ
При оценке концентрации микрочастиц по формуле (12) в [1] полагалось, что в рабочей зоне
сечение налипания А1 на микрочастицы а определяется средним радиусом микрочастиц г = 5 мкм.
Основанием для этого послужили экспериментальные данные по составу отработанных микрочастиц, иллюстрируемые микрофотограммой на рис. 1. Судя по внешнему виду и размерам микрочастиц, в плазме присутствуют два их вида разной природы: одни шаровидные, правильной формы, с гладкой поверхностью, диаметром 1—5 мкм, другие произвольной формы с наростами и пористой поверхностью, размером 2—15 мкм.
Первый вид интерпретируем как застывшие жидкие капли недогоревшего А1, что подтверждает наличие на них кратеров микровзрывов расплавленного алюминия, пробивших оксидную оболочку частиц. Эти малые частицы производятся такими же микровзрывами исходных микрочастиц. Отсутствие больших частиц этого вида говорит, во-первых, о почти полном окислении алюминия в реакторе, во-вторых, о периферийном происхождении наблюдаемых в отработке малых шаровидных частиц. Их небольшая масса позволяет им развить достаточную скорость для радиального выхода из горячей зоны и консервации остатков алюминия под оболочкой из его тугоплавких окислов.
Второй вид, пористые бесформенные частицы, — это фрактальные структуры корунда, конечная стадия окисления А1 [3]. Они образуются на осколках частиц любого диаметра и тем самым отображают характерные размеры частиц в рабочей зоне. Как видно из рис. 1, их средний размер составляет около 10 мкм, что и обусловило взятую в [1] для оценок величину г = 5 мкм.
Покажем неприменимость модели такого беспрепятственного выгорания алюминиевой микрочастицы, основываясь на экспериментально установленном факте практически полного выгорания за время пролета рабочей зоны реактора и, следовательно, на совпадении времен выгорания и пролета. Применяя развитую в работе [4] теорию горения микрочастиц А1 к нашим условиям (г0 = 50 мкм), получим для времени полного выгорания алюминия в исходной микрочастице величину
т = 4.5 мс. (1)
Это почти на порядок меньше экспериментального времени выгорания тэкс * 30 мс, определяемого временем прохождения частицей рабочей зоны. Для среднего размера микрочастиц г = = 5 мкм разница составит уже 2 порядка, что указывает на другие, более медленные, механизмы окисления алюминия, иначе микрочастицы сгорали бы сразу на входе в реактор. Ниже это время будет получено исходя из нашей кинетической модели.
Рис. 1. Микрофотография отработанных микрочастиц алюминия: пористые частицы — пространственные структуры сконденсировавшихся тугоплавких окислов алюминия, гладкие шарики — затвердевшие жидкие капли неизрасходованного алюминия. Характерный масштаб — 10 мкм.
Начальная концентрация частиц на входе в плазменный реактор [М]0 * 103 см-3 [2] определялась по известной массовой доле и скорости микрочастиц, измеренной по наблюдаемым трекам скоростной видеоаппаратурой. Полученная из уравнения (12) в [1] концентрация микрочастиц [М] в рабочей зоне в 300-4000 раз больше [М]0, что свидетельствует, в частности, о размножении микрочастиц. Оно и происходит при их перегреве путем упомянутых импульсно-периодических микровзрывов.
Одной из причин перегрева является выделение энергии окисления А1 на поверхности микрочастицы при налипании на нее молекул Н2О, ОН, О, О2. Однако этот процесс не может, по-видимому, доминировать среди механизмов выгорания А1, поскольку поверхность микрочастицы в результате этого окисления покрывается тугоплавкой оболочкой окислов А1, образующих в конечном итоге структуры корунда [3]. Температура плавления окислов при 1 атм (2349 К) на 1386 К превышает температуру плавления алюминия, а температура кипения окислов (3253 К) на 460 К превышает температуру кипения алюминия. Если бы не это обстоятельство, окисление алюминия происходило бы в самой микрочастице без какой-либо необходимости в рассмотренной нами газовой фазе.
ГЕТЕРОГЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ И ВРЕМЯ ПОЛНОГО ОКИСЛЕНИЯ
Рассмотрим гетерогенные процессы подробней. Общее уравнение баланса всех алюмосодер-жащих частиц плазмы (АЮ, А1, АЮ+, А1+) полностью определяется микрочастицами: рождаются они путем испарения с поверхности микрочастиц, а выводятся из газовой фазы путем налипания на микрочастицы. Этот баланс алюминия в микрочастицах записывается в виде
УА1 = а{^([АЮ] + [А10+]) + ^([А1] + [А1+])}. (2)
Здесь vl и V2 — средние тепловые скорости А1 и А1О соответственно, уА1 — частота испарения алюминия средней микрочастицей. Испарением окислов пренебрегаем.
Это пятое кинетическое уравнение, дополняющее систему уравнений баланса (7)—(10) в [1]. Его можно получить также, суммируя уравнения баланса всех алюмосодержащих частиц плазмы. Как следует из приведенных в таблице оценок компонент уравнения (2), его правая часть определяется концентрацией АЮ с точностью до 1% при Те = 0.6 эВ и 10% при Те = 1 эВ, что превышает точность расчетов и позволяет упростить уравнение (2) следующим образом:
УА1 * а^[АЮ]. (3)
Представим частоту испарения алюминия в виде
уА1 = Sq = 4nг2q, (4)
где q — плотность поверхностного потока испарения микрочастицы. Подставляя (4) в (3) и сокращая а = яг2, получаем простое соотношение
КИНЕТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОКИСЛЕНИЯ А1 ПАРАМИ ВОДЫ 25
Параметры алюмосодержащих компонент плазмы, рассчитанные для экспериментальных условий: Те = 0.6—1 эВ, пе = 5 х 1013 см-3, [А1] = 3 х 1013 см-3, [Н20] = 2 х 1017 см-3
Те, ЭВ [Al+], см-3 [Alü+], см-3 [AlO], см-3 [M], см-3 Z[M], см-3 -2 -1 q, см-2 с-1 т, с
0.6 4.9 х 1013 8 х 1011 1016 3.3 х 105 109 3 х 1020 0.33
1 4.4 х 1013 6 х 1012 9 х 1014 4 х 106 1010 3 х 1019 3.7
q ~ [AlO] v2/4 = (30-3) х 1019 см-2 с-1. (5)
Диапазон значений соответствует диапазону температуры электронов Те = 0.6-1 эВ. Полученные плотности потока испарения q говорят об очень высокой частоте испарения. Для частицы с рассматриваемым выше средним радиусом r = 5 х х 10-4 см получается vAl = 1015-1014 с-1.
Эти данные позволяют проследить за судьбой отдельной частицы. Пусть баланс атомов Al в ней определяется испарением с последующим окислением в газовой фазе (долей алюминия, уносимой микровзрывами, и окисляемой налипшими кислородосодержащими молекулами, пренебрежем). Тогда для числа атомов Al в микрочастице Ni(r, t) имеем
dNAl . 2
-TT = -Vai = -4пг q. (6)
dt
В соответствии с балансом (2), (3) средний размер частицы при испарении не меняется: вылетающие атомы Al заменяются его окислами. Проинтегрируем уравнение (6) по времени до полного испарения (NAl(r, т) = 0):
Nai( r) = VaiT = 4 nr2q т. (7)
С другой стороны, число атомов в исходной микрочастице равно
NAl(r) = 4пг р/3m. (8)
В (7), (8) т - время полного испарения Al из микрочастицы, р - ее удельная плотность, m -масса атома алюминия. В итоге получаем т = rp/3mq.
Используя выражение (5), находим искомое время полного испарения окисляющихся уже в газовой фазе атомов Al
т = 4rp/3mv2[AlO] = 33-370 мс. (9)
Эта оценка для средней микрочастицы рабочей зоны тоже соответствует диапазону Те = 0.6-1 эВ и свидетельствует в пользу более низкой температуры электронов, поскольку видеонаблюдение за микрочастицами дает для времени пролета ею рабочей зоны ~30 мс. (Напомним, что время пролета должно совпадать со временем т, поскольку анализ отработанных микрочастиц показывает их почти полное сгорание.)
Следует отметить, что если оценка (1), заимствованная из [4], является оценкой времени т снизу, то из уравнения (9) следует оценка сверху,
так как в нем пренебрегалось другими процессами потерь А1 микрочастицей (см. выше). В режиме перегрева плазмы, более характерного для горячей катодной зоны разряда, потери алюминия могут определяться упомянутыми импульсно-пе-риодическими выплесками горячего А1 и бол
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.