Экспериментальное определение тока шнурования в пропанокислородных смесях

ГЛАВА I

ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Ионизация в зоне горения углеводородного топлива

За последние годы появилось много работ по определению концентрации ионов в пламенах при введении в горючую смесь легкоионизируемых добавок для повышения электропроводности продуктов сгорания. Данных же по ионизации в пламенах без присадок очень мало. Ограниченное число работ затрудняет идентификацию положительных ионов в зоне горения. Что касается носителей отрицательных зарядов, то установлено, что ими являются свободные электроны.

Экспериментальный материал [9] по исследованию ионизации пламени недостаточен для того, чтобы судить о величине концентрации ионов в различных зонах пламени, особенно потому, что большинство работ по этому вопросу выполнено на низкотемпературных пламенах [10]. Однако на основании проведенных исследований можно сделать ряд важных выводов. Прежде всего ряд авторов отмечает, что в пламенах при горении углеводородного топлива концентрация ионов намного превышает равновесную термическую ионизацию, причем расхождение может достигать величины нескольких порядков. Хотя в зоне реакции нельзя ожидать равномерного распределения выделяемой энергии по различным возможным формам, т. е. равновесного состояния, все же невозможно объяснить только отсутствием равновесия наблюдаемую величину концентрации ионов, равную 10¹² см^-3, вместо равновесного значения 10⁶ см^-3. Кроме того, аномально высокая концентрация ионов присуща лишь углеводородным топливам и отсутствует, например, в пламенах Н₂ или СО, причем для СН₄ отмеченное расхождение проявляется в меньшей степени.

Механизм образования ионов удобно исследовать, применяя специальные прямоугольные горелки, образующие плоское пламя при пониженных давлениях. Процесс горения в пламенах такого типа протекает стабильно, без заметных колебаний, что очень важно как для спектроскопических исследований, так и для измерения тока электропроводимости.

Ниже рассматриваются некоторые экспериментальные работы по ионизации в пламенах сначала диффузионных, а затем предварительно перемешанных смесей.

Кинбара и Накамура [1] одновременно со спектроскопическими исследованиями изучали электропроводимость диффузионного пламени городского газа и некоторых других углеводородных топлив на горелке Бунзена при атмосферном давлении. Электропроводимость исследовали с помощью двойного зонда со встречным расположением электродов. Температуру измеряли Pt/PtRh микротермопарой.

Характер распределения проводимости (а следовательно, и концентрации свободных электронов) по радиусу поперечных сечений пламени представлен на рис. 1. На этом же рисунке показано соответствующее распределение температуры.

Сопоставляя характер изменения проводимости и температуры, интересно отметить, что максимальный ток проводимости располагается в районе сечения III, после чего проводимость резко снижается. Если бы причиной ионизации были случайные примеси легкоионизируемых элементов, то подобный характер изменения должна была бы иметь и температура. Однако температура по высоте пламени непрерывно растет вплоть до последнего сечения VI.

Основная часть работ по исследованию ионизации посвящена пламени предварительного перемешивания топлива и окислителя, поскольку у таких пламен наиболее изучена химическая кинетика реакций горения. Познать механизм образования ионов можно, лишь исследовав реакционную зону, размеры которой весьма малы (порядка долей мм).

Одной из ряда значительных работ по исследованию ионизации пламени являются эксперименты Аравина, Семенова и Соколика [11,12], проведенные на сферической бомбе с центральным зажиганием и приспособлениями для фоторегистрации пламени и оптической записи давления. Топливом служил пропан или водород в смеси с воздухом. В этих опытах была поставлена задача выяснения связи между температурой и ионизацией, получение данных о величине концентрации ионов, размеры зоны реакции и времени реакции ламинарного пламени.

Выводы, к которым пришел Аравин, сводятся к следующему:

Ионизационный ток резко возрастает, затем снижается при прохождении через ионизационный промежуток зоны горения. Поскольку температура газа за зоной горения непрерывно повышается, сделан вывод о нетермической природе ионизации в зоне пламени, об ее связи с химическим процессом превращений.

В случае горения пропана ионизационный ток пламени заметно убывает по мере удаления от точки зажигания. Что касается температуры пламени, то она непрерывно возрастает по мере удаления от точки зажигания.

На основе расчета температуры с учетом различных видов диссоциации были вычислены значения ионизационного тока по уравнению Саха, для пропано-воздушного пламени. Сопоставление расчетных значений с экспериментальными показало, что последние на несколько порядков больше значения равновесного термодинамического тока. Отношение i_оп/i_p составляет 10² - 10⁷.

Турбулентный характер сгорания отражается в специфических пульсациях кривой ионизационного тока, резко отличающих ее от соответствующей кривой ламинарного пламени.

Аномально высокая ионизация во фронте пламени открывает принципиальную возможность выделения в факеле зоны, где осуществляются химические превращения, т. е. выделение собственно зоны горения.

Аналогичный вывод о неравновесности ионизации в пламени получен Калькоттом и Кингом [4], которые рассмотрели ионизацию и температуру по длине плоского пропано-воздушного пламени.

В работе Понкелета, Берендсена и Ван-Тиггелена [2] топливо (ацетилен) предварительно смешивалось с кислородом и подавалось в зазор между коаксиально расположенными цилиндрами, электрически изолированными друг от друга. Содержание азота в смеси колебалось в пределах 71-79%.

Концентрацию электронов определяли методом сопротивления фронта пламени. Некоторые результаты работы даны на рис.2, где концентрация электронов и температура пламени даны в функции соотношения С₂Н₂/С₂Н₂+О₂ при двух концентрациях азота (71 и 76%). Концентрация электронов по рассмотренным режимам менялась в пределах 10¹⁰ - 10¹¹ см^-3, причем ее максимальное значение соответствовало максимальной скорости горения.

Важные результаты получены Иноземцевым [3] по исследованию влияния различных факторов на ионообразование в пламенах смесей с воздухом пропана и бензина. На рис. 3. приведены результаты измерения концентрации электронов двойным зондом в зависимости от коэффициента избытка воздуха во фронте горения углеводородного топлива. Пламя горит при атмосферном давлении без предварительного подогрева горючей смеси.

Так же, как и работе Понкелета и других, отчетливо виден максимум концентрации электронов при несколько обогащенной смеси, т. е. при максимальной скорости горения (0.9-0.95). Для этого режима горения концентрация электронов во фронте горения равна 2.25*10⁷ см^-3, скорость образования электронов 17.5*10¹⁷ см^-3 сек^-1, а коэффициент рекомбинации равен 3*10³ см³ сек^-1.

В упоминавшейся ранее работе Кинбара и других [1] изучалось горение предварительно перемешанных смесей городского газа с воздухом на горелке Бунзена. Ток проводимости измеряли в нескольких сечениях вертикально расположенного факела; в тех же сечениях определяли и распределение температур.

Результаты измерений представлены на рис. 4. Положения максимумов ионизации и температуры совпадают лишь в самых первых сечениях, примыкающих к устью горелки. По мере удаления от устья горелки между ними наблюдается большое расхождение. Максимумы тока проводимости соответствуют образующей внутреннего светящегося конуса горения (фронту горения). Вызывает сомнение распределение тока проводимости в сечении II - наличие заметной концентрации электронов в объеме внутреннего конуса горения.