Ионизация в пламени и электрическое поле - Степанов К.М.
Скачать (прямая ссылка):
1 4 Заказ GO
209
Электроды
В варианте а поле создается между отрицательно заряженной горелкой и положительным электродом, установленным в «хвосте» пламени. Таким образом организуется движение положительных ионов к горелке вниз и электронов вверх.
В варианте и пламя распространяется от положительно заряженной горелки к отрицательному электроду. В этом случае к горелке
устремляется поток электронов, а ^—— положительные ионы получат дополнительное количество движения по ходу потока.
Варианты виг отличаются отсутствием второго электрода и наложением электрического заряда на горелку. В вариантах виг пламя предельно четко рассматривается как индивидуальная система, содержащая электрически заряженные частицы и способная к возмущениям и искажениям в своей структуре под действием слабого электрического поля.
В варианте в горелка имеет отрицательный заряд, следовательно, положительные ионы из объе-к горелке; в варианте г должна на-к положительно заряженной горелке
1° \Сшсь \
it
ГХ д
Изолятор б г
Рис. 115. Варианты наложения электрического поля
ма пламени будут стремиться блюдаться обратная картина: из пламени устремится поток электронов.
Эксперименты, поставленные по схемам в и г, интересны тем, что, во-первых, исключается возможное влияние на кинетику химических реакций теплового эффекта, получаемого в результате превращения энергии электрического поля при прохождении тока через пламя в тепловую; во-вторых, меняя знак электрического заряда на горелке, можно дифференцированно и более четко выявить влияние ионного ветра на процесс распространения пламени.
Следовательно, создаются предпосылки для определения влияния имеющихся в пламени заряженных частиц на кинетику химических реакций, так как повышение температуры пламени за счет преобразования электрической энергии в тепловую исключено, а влияние ионного ветра можно учесть, меняя знак электрического заряда на единственном электроде-горелке.
Прежде чем перейти к анализу влияния электрического поля на процесс распространения пламени, необходимо на примере ламинар-
210
ного гомогенного пламени рассмотреть взаимосвязь величин, входящих в уравнение Гун-Михельсона, и их влияние на внешние характеристики пламени.
Известно, что нормальная скорость ип является характеристикой процесса горения и определяется кинетикой химических реакций и температуропроводностью среды [ПО]:
ин -1 ай, (108)
где <?' — средняя скорость химической реакции; а — температуропроводность. С другой стороны, в соответствии с постулатом Гун для ламинарных гомогенных пламен справедливо соотношение [41]
5К = — , (Ю9)
где S}< — поверхность фронта пламени (внутреннего конуса); V — расход горючей смеси. Таким образом, для смеси данного вида, составленной из конкретного топлива и окислителя ин = const, при постоянстве ее расхода V и без изменения внешних энергетических условий поверхность внутреннего конуса SK и его высота hK — величины постоянные. При увеличении скорости горения смеси высота hK и необходимая поверхность внутреннего конуса SK будут уменьшаться. Уменьшение SK наблюдается и при уменьшении расхода смеси постоянного состава («„ = const). Следовательно, пользуясь записью Кнорре [41] (f — увеличение, \—уменьшение), связь между параметрами, характеризующими распространение ламинарного гомогенного пламени, можно представить в следующем виде:
w„j->cos(p!->(pt-*M->SKt; 1 (П0)
ин f — cos ф t -> Ф 1 -> К 1 — SK I. J
Иными словами, при постоянстве входных условий (гидродинамических, тепловых и концентрационных) уменьшение или увеличение поверхности фронта горения происходит в результате увеличения или уменьшения ии, т. е. в соответствии с соотношением (108) «„ находится в зависимости от температуропроводности и скорости химической реакции.
Рассмотрим распространение гомогенного пламени в продольном электрическом поле и при наличии одного заряда на горелке в соответствии со схемами, показанными на рис. 115, с целью индивидуаль-
14*
211
и о и оценки влияния ноля по таким характеристикам, как скорость горения н пределы устойчивости пламени по срыву и проскоку.
В процессе анализа предположим, что в каждом случае влияние электрического поля на распространение пламени представлено следующими факторами.
Ионный ветер
Механическое увлечение потоком положительных ионов всей массы газов к отрицательном}' электроду-горелке в случае наложения продольного электрического поля по схеме а (см. рис. 115) в соответствии с трактовкой этого явления в работе [17] должно вызвать уменьшение высоты внутреннего конуса п поверхности горения S,;; и, наоборот, при схеме б, когда горелка находится под положительным потенциалом, следует ожидать увеличения hK п S,,.
В соответствии с соотношениями (109) и (110) при постоянстве входных и внешних условий такие изменения hK н SK объясняются только изменением и,„ т. е. увеличением или уменьшением нормальной скорости пламени.
С точки зрения тепловой теории эффект ионного ветра можно объяснить тем, что положительные ионы, увлекая за собой массу раскаленных газов при наложении поля по рис. 115, а, приближают зону с более высокой температурой к горелке, в результате чего создаются условия для более интенсивного теплообмена между раскаленными продуктами сгорания и свежей горючей смесью. Это в свою очередь вызывает ускорение реакции и смещение фронта пламени ближе к горелке. При наложении поля по рис. 115, б зона с более высокой температурой будет смещаться вверх, так как ионы увлекут за собой к катоду нейтральную массу раскаленных газов. Теплообмен со све жей смесью в этом случае ухудшится, развитие горения замедлится и фронт пламени увеличит поверхность горения.
