химической конференции “Бутлеровское наследие-2011”. http:///bh-2011/
УДК 662.612.3. Поступила в редакцию 20 апреля 2011 г.
Особенности горения жидких углеводородов
в присутствии электростатического поля
© ,1* 2
и 1+
1 Кафедра физики. Вятский государственный университет. Ул. Московская, 36.
г. Киров, 610000. Россия. Тел.: (8332) 64-65-71. E-mai: *****@***ru.
2 НПП «Нефтегазсофтсервис» ул. Солянка, 2. г. Москва. Россия.
_______________________________________________
*Ведущий направление; +Поддерживающий переписку
Ключевые слова: горение, жидкое толпиво.
Аннотация
В работе представлены результаты экспериментального исследования горения жидкостей ряда алканов в электрических полях созданных локально в отдельных участках зоны горения. Показано, что предварительная обработка жидкости электрическим полем приводит к подавлению горения. Воздействие электрического поля на границу раздела фаз приводит к интенсификации горения.
Введение
Влияние электрического поля на процесс горения исследуется со времени открытия Фа-радеем электрических свойств пламени, то есть обнаружения, что пламя представляет собой низкотемпературную плазму и в факеле присутствует избыточный электрический заряд [1].
Исследования, проведенные разными коллективами, показывают широкие возможности управления поведением пламени. Так в работе [2] показаны возможности изменения геоме-трии фронта горения электрическими полями. Наряду с этим, в работе [3] отмечено изме-нение химической структуры факела, а также полноты сгорания топлива [4].
Также в литературе представлены результаты исследований стабилизации пламени [5], изменения скорости горения [6] в электрических полях. Для описания полученных резуль-татов предложены несколько механизмов [7]: ионный ветер, прямой переход энергии поля в тепловую энергию пламени, влияние на кинетику химических реакций.
Имеющиеся механизмы влияния поля на горение предполагают наличие ионизации и не учитывают изменение свойств топлив под действием электрического поля. В литературе приводятся данные [8-28] по влиянию электрического поля на свойства веществ (теплоп-роводность, поверхностное натяжение, вязкость и так далее) и фазовые переходы, но эти работы не связанны с процессом горения.
В работе [8] отмечается интенсификация испарения жидкого диэлектрика при нало-жении электрического поля. Следует отметить, что направление поля значения не имеет. Аналогичные результаты получены в работе [9]. Интересны результаты работ [10-12] в которых обнаружено возникновение фазовых превращений в жидкости при наложении электрического поля.
Отмечено стимулирующее действие внешнего поля на возникновение анизотропного распада однофазной системы на двухфазную. Показано, что в электрическом поле жидкость может переходить в метастабильное состояние и распадаться на двухфазную систему [12]. Авторы связывают данные процессы с возникновением объемных сил, которые изменяют распределение давления внутри диэлектрика.
При достаточно больших напряженностях данного изменения достаточно для возник-новения фазового перехода.
В работе [13] отмечено возникновение электроконвективных течений в жидкостях, а в [14] отмечено возникновение оптической анизотропии неполярных жидких диэлектриков (декана, ундекан, додекана). Также возникновение упорядоченности и новых структур отме-чено в работе [15] при исследовании распространения звуковых волн.
Изменение в структуре жидкости приводит к изменению ее свойств. Как отмечают авторы [16, 17] наложение внешнего электрического поля на жидкий диэлектрик приводит к изменению теплопроводности.
Показано, что при обработке жидкости переменным электрическим полем коэффициент теплопроводности возрастает на 50-100% при напряженности поля 220 кВ/м, для постоянного электрического поля увеличение составляет 20-50% в зависимости от дипольного момента молекул. Авторы объясняют полученные результаты изменением структуры жидкости. С наб-людаемыми изменениями в структуре жидкости, также связано и изменение коэффи-циента диффузии [18].
Наложение внешнего поля на жидкость также приводит к изменению ее вязкости [19-21]. Так при наложении переменного электрического поля изменяет динамическая вязкость жидкого диэлектрика. Одной из причин возникновения данных эффектов является инжекции заряда с электродов в область диэлектрика.
Инжектируемый заряд является центром образования иоонномолекулярных комплексов, наличие которых и ответственно за изменение вязкости. Сравнение результатов исследований динамической вязкости в переменных и постоянных электрических полях, а также при создании поля без контакта электродов и диэлектрика показывает, что изменение вязкости наблюдается и при отсутствии инжекции заряда. Данное изменение также обнаруживается, хотя в более слабой форме. В электрическом поле происходит упорядочивание молекул в результате наведенного электрического дипольного момента, что и приводит к образованию комплексов ответственных за изменение вязкости. Наличие данных эффектов подтверждается результатами работы [22, 23], где показано улучшение распыла топлива при его предва-рительной электрополевой обработке перед форсункой.
Противоположный эффект наблюдается при воздействии на границу раздела фаз[24-28]. При воздействии на поверхность жидкости возникают объемные силы, которые снижают поверхностное натяжение. Как отмечено в [24] при определенном значении напряженности суммарное значение поверхностного натяжения может стать нулевым. Также в электрическом поле на поверхности жидкости возникают периодические возмущения. Данный факт отмечен также в работах [25-28]. При помещении жидкости в электрическое поле, как постоянное так и переменное, на поверхности возникают волны и колебания. Особенно примечателен этот факт для поверхности капель.
В работе [27] показано, что в электрическом поле капли жидкости вытягиваются и принимают форму сфероида, а их поверхность начинает колебаться. При этом происходит локальное изменение как давления на поверхность, так и структуры электрического поля в области капли. В результате этих процессов при определенной напряженности капля начи-нает дробиться на более мелкие капли. Аналогичные процессы происходят с пузырьками жидкости.
Показано, что электрополевое воздействие способно изменять протекание процесса го-рения, а также свойства жикости. Однако, предложенные механизмы учитывают лишь изме-нения в факеле пламени и не учитывают влияние электрического поля на фазовые переходы и свойства горючего вещества. В данной работе поставлена задача – выявления вклада эффектов влияния электрического поля на пламя, фазовый переход и свойства жидкости в изменение скорости выгорания топлива.
Экспериментальная часть
Исследования проведены на экспериментальном стенде, состоящем из кварцевой горелки диа-метром 14 мм, устройства подвода горючего, системы измерения скорости горения и системы созда-ния электрического поля. Подробное описание стенда, методики измерения скорости выгорания жид-кости и создания локального электрического поля приведены в [29]. В качестве горючих исполь-зуются жидкие алканы(декан, ундекан, додекан, тридекан, тетрадекан), керосин и дизельное топливо.
Локальное электрополевое воздействие на пламя изменяет геометрию фронта горения. Нало-жение поля направленного к поверхности жидкости изменяет форму пламени на полусферическую. Поле обратного направления не изменяет форму пламени. Результаты изменения массовой скорости горения в электрических полях представлены на рис. 1. Как видно по представленным результатам в области отрицательной напряженности наблюдается рост скорости выгорания. Положительной выбрана напряженность, совпадающая по направлению с потоком горючего. Увеличение скорости горения начинается при значении модуля напряженности выше 40 кВ/м. Для всех исследованных горючих зависимости похожи. В области положительных напряженностей изменение скорости горения отсутствует.
Рис. 1. Изменения скорости выгорания жидкости в поле плоского конденсатора |
|
Предварительная обработка электростатическим полем жидкой фазы приводит к снижению высоты пламени. Уменьшение пламени происходит в течении 1-6 секунд, скорость снижения зависит от напряженности внешнего электрического поля. При уменьшении пламени существенно умень-шается зона желтого свечения, цвет пламени изменяется на синий.
Однако желтое пламя полностью не исчезает. Фотографии пламени представлены на рис. 2. Здесь рис. 2а – пламя при отключенном источнике питания, рис. 2б – пламя при обработке полем жидкости. Наряду с уменьшением высоты пламени наблюдается существенное снижение скорости горения жидкости. График зависимости скорости выгорания жидких горючих от напряженности электрического поля представлен на рис. 3. Как видно по представленному графику, наложение полей обоих направлений приводит к подавлению процесса горения.
|
Рис. 3. Изменение скорости горения при воздействии электрическим полем на жидкую фазу |
Причем, в пределах погрешности можно утверждать, что направление поля значения не имеет. Наибольший эффект подавления наблюдается для керосина, наименьший для тридекана.
Для выяснения причин подавления горения были проведены измерения температуры в жидкости при предварительной электрополевой обработке. После включения электрического поля в течении 2-4 секунд наблюдается резкое снижение температуры, далее идет период постоянной температуры. После отключения электрического поля температура на всех уровнях возвращается к начальному значению.
|
Рис. 4. Пламя при воздействии электрического поля на границу раздела фаз |
Воздействие электрического поля на границу раздела фаз при-водит к существенному изменению процесса горения. При вклю-чении источника напряжения меняется цвет пламени, существенно возрастает яркость свечения, практически исчезает область синего пламени, цвет пламени становится однородным. Наряду с измене-нием цвета, структура пламени также существенно изменяется. Высота факела возрастает в 5-10 раз по отношению к пламени без поля. Появляются пульсации и колебания, причем как в вертикаль-ном, так и в горизонтальном направлении.
Приведённая на рис. 4 фотография иллюстрирует соотношение размеров факелов без поля – слева и с полем – справа. Наряду с резким увеличением высоты пламени наблюдается существенное увеличение скорости выгорания. Результаты экспериментов с алка-нами, керосином и дизельным топливом представлены на рис. 5. Как показали измерения, поля обоих направлений, в пределах погреш-ности, имеют одинаковое действие.
|
|
а) | б) |
Рис. 5. Изменение массовой скорости выгорания жидкости при воздействии электрического поля на границу раздела фаз: а – поле направлено к поверхности топлива, б – противоположное направление |
Полярность электродов существенно влияет на процесс сажеобразования. Так при отрица-тельной полярности верхнего электрода на нем начинается обильное осаждение сажи при горении всех исследованных горючих жидкостей.
Произведенные измерения показали, что температура на срезе горелки уменьшается с увели-чением напряженности поля и скорости горения. При увеличении напряженности поля от 0 до 60 кВ/м температура изменяется от 950 до 600 К.
С целью выявления причин аномального увеличения скорости горения произведены скоростные видеозаписи поведения факела пламени и поверхности жидкости. По видеозаписи установлено, что наложение электрического поля приводит к изменению режима горения. В факеле возникают коле-бания и искривления, а на поверхности топлива появляются каверны. Горение переходит в пульсационный режим. После отключения поля каверны на поверхности топлива и пульсации в факеле пламени исчезают.
Результаты и их обсуждение
Создание электростатического поля в области пламени приводит к изменению гео-метрии фронта горения. Взаимодействие факела горения и электрического поля обусловлено наличием избыточного заряда в пламени, образующегося в результате реакций хемоиони-зации. В работе [30] представлены результаты исследования распределения потенциала и температуры в пламени пропана, горящего в кислороде смешанным с различными инертными газами. Показано, что в пламенах с недостатком окислителя в области максимальной темпе-ратуры обнаруживается избыточный отрицательный заряд, а в пламенах с избытком окис-лителя – положительный.
При наложении внешнего электрического поля, в результате его воздействия на избы-точный заряд, происходит изменение положения областей максимального тепловыделения, что приводит к изменению теплового потока к срезу горелки. В нашем случае происходит приближение областей максимальной температуры к поверхности жидкости, в результате чего интенсифицируется испарение и увеличивается скорость горения. Поле обратного нап-равления не изменяет геометрию пламени, а соответственно и тепловой поток к поверхности топлива, в результате изменение массовой скорости горения отсутствует.
Предварительная электрополевая обработка жидкости приводит к подавлению горения. Данные, свидетельствующие о тушении пламен, приводимые в литературе, сводятся к возник-новению ионного ветра, который уносит горячие частицы из области горения, за счет чего наблюдается охлаждение реакционной зоны, что, в свою очередь, приводит к снижению теплового потока в область фазового перехода и к снижению испарения. Однако, в нашем случае данное объяснение не применимо, так как поле создается в области, в которой нет реакций ионизации, а, следовательно, нет заряженных частиц.
Как показали результаты наших измерений, при включении электрического поля в жидкости наблюдается снижение температуры, что можно объяснить как возникновением электроконвективных течений, так и изменением свойств жидкости. Однако, электрокон-векция должна перемешивать жидкость, в результате чего верхние слои должны охлаждаться, а нижние нагреваться, чего не наблюдается в эксперименте. Также восстановление темпера-туры до начального состояния после отключения поля свидетельствует о том, что темпера-тура понижается не в результате перемешивания.
Объяснить эффект гашения пламени при обработке жидкости электростатическим полем можно исходя из кластерно–дырочной теории. Наложение электростатического поля приво-дит к появлению внешних сил, действующих на молекулы жидкости посредством наведен-ного электрического момента [14, 19-21]. В результате этого происходит упорядочение частиц и как следствие появление и рост кластеров. Изменение числа кластеров и их размеров приводит к резкому изменению свойств жидкости (вязкости, теплоемкости и так далее).
В результате этого наблюдается снижение температуры. В дальнейшем для нагрева и испарения получившейся жидкости требуется большее количество энергии. Это приводит к снижению испарения и подавлению горения. Отключение источника напряжения приводит к исчезновению внешних сил, а образованные структуры начинают разрушаться. Свойства жи-дкости возвращаются в начальное состояние, о чем свидетельствует повышение температуры.
Воздействие электрического поля на границу раздела фаз дает наибольшее увеличение скорости горения. Увеличение высоты факела свидетельствует о том, что в область горения стало поступать больше горючего. При этом, как показали наши измерения, температура на срезе горелки снижается. Это свидетельствует об изменении механизма газообразования, в частности, замене энергозатратного процесса испарения, на процесс, требующий меньше энергии. Из литературных данных известно, что при горении жидкости перенос тепла к поверхности топлива осуществляется излучением. Перенос тепла излучением приводит к объемному поглощению энергии жид-костью.
При этом, максимальный теплоотвод происходит с повер-хности за счет испарения. В результате этого реализуется сос-тояние, при котором поверхность жидкости имеет температуру меньшую, чем слой, находящийся под ней. Профиль темпе-ратуры, который реализуется в данном случае, представлен на рис. 6. Для расчета температуры можно применить уравнение теплопроводности рассмотренное в [32]. Наложение электри-ческого поля приводит к изменению свойств жидкости, что переводит слой с максимальной температурой под поверхностью жидкости в метастабильное состояние и в данном слое начинают появляться пузырьки пара.
Из анализа видеозаписей установлено, что произошло изме-нение режима горения. Горючее в зону горения начинает пос-тупать большими порциями, которые при сгорании существенно деформируют факел. То есть при наложении поля на границу раздела фаз возникают периоди-ческие процессы, в результате которых равномерный процесс испарения заменяется колеба-тельным, порционным процессом образования горючего состава.
Из сравнения фотографий пламени и поверхности жидкости установлено, что моменту образования первого провала поверхности соответствует возникновение всполоха пламени. Это позволяет говорить о взаимосвязи процессов происходящих в пламени и на поверхности жидкости. Так при возникновении каверн наблюдается увеличение пламени, в факеле возникает возмущение, имеющее ярко выраженное боковое направление.
Исходя из этого, можно утверждать, что некоторый объем жидкости оторвался от общей массы и начал самостоятельное движение в произвольном направлении. Попав в горячую зону, данный объем частично испарился, оставшаяся часть воспламенилась и образовала боковое ответвление факела. В дальнейшем процесс повторяется.
Появление пузырьков, размером больше критических, может происходить, и происходит во всем объеме перегретого слоя. Это приводит к образованию паровой прослойки, которая будет увеличиваться с огромной скоростью, за счет интенсивного испарения перегретого слоя. Напротив, поверхностный слой остается неизменным, возникает система из трех разных фаз: жидкая – газообразная – жидкая.
Причем, в связи с интенсивным испарением, внутренняя газообразная фаза будет увели-чиваться и толкать вверх объем жидкости. Таким образом, образуется летящий слой жид-кости, который, поднимаясь выше, будет распадаться на капли и в факел будет поступать аэрозоль, а не поток паров. Данный механизм фазового перехода был описан и был назван взрывным кипением [33]. Однако при горении данный механизм обна-ружен впервые.
Выводы
1. Исследования горения жидкости в электрических полях, созданных локально в области факела пламени, границе раздела фаз и области жидкости показали, что в результате изменения геометрии пламени, при наложении поля направленного к поверхности топлива, скорость горения увеличивается в 2 раза при напряженности 60 кВ/м, при обратном направлении изменение не наблюдается.
2. Предварительная обработка топлива электромагнитными полями приводит к росту молекулярных структур, в результате чего изменяются теплофизические свойства жидкости и, как следствие, наблюдается подавление горения.
3. Наложение электрического поля на границу раздела фаз горения жидкости приводит к изменению механизма фазового перехода, испарение заменяется взрывным кипением, что приводит к резкому возрастанию скорости горения.
Литература
[1] Лоутон Дж., лектрические аспекты горения. Пер. с англ. Под общ. ред. . М.: «Энергия». 1976.
[2] , , О влиянии электрического поля на горение смеси пропан-бутан с воздухом. Новосибирск: Физика горения и взрыва. 1985. №4. C.23-25.
[3] Altendorfiier F. Pfadler S., Beyrau F., Leipertz A. Experimental Study of the Response Behaviour of Premixed Flames on the Excitation with satic as well as Transient Electric Fields http://www. ltt. uni-erlangen. de
[4] Most D., Hammer T., Lins G., Branston D. W., Altendorfner F., Beyrau F., Leipertz A. Electric Field Effects for Combustion Control - Optimized Geometr. Prague: 28th ICPIG. 2007. P.1863-1866.
[5] , Исаев ламинарных пламен дисперсных горючих смесей при отрицательной полярности горелки. Чебоксары: Физика горения и методы ее исследования. 1976. №3. C.40-43.
[6] , , Тупикин постоянного и импульсно–периодического электрического поля на горение пропановоздушной смеси. Новосибирск: Физика горения и взрыва. 2008. №1. Т.44. С.22-25.
[7] , Дьячков в пламени и электрическое поле. М.: Металлургия. 1968. 311с.
[8] О бесконтактном электрополевом воздействии на жидкие системы. Санкт-Петербург: Письма в журнал технической физики. 2000. Т.70. Вып.10. C.120-121.
[9] , , Шебко электрического поля на испарение и горение жидкостей. Новосибирск: Физика горения и взрыва. 1992. №3. C.36-39.
[10] , Медведев неустойчивость жидких диэлектриков к распаду жидкость – пар в сильных электрических полях. Санкт-Петербург: Письма в журнал технической физики. 2006. Т.32. Вып.14. C.72-80.
[11] , Медведев неустойчивость жидких диэлектриков в сильных электрических полях и распад на анизотропную двухфазную систему жидкость – пар. Доклады академии наук. 2006. Т.411. №6. C.766-769.
[12] , Куперштох спинодальный распад полярного диэлектрика в сильном электрическом поле: метод молекулярной динамики. Санкт-Петербург: Письма в журнал технической физики. 2009. Т.35. Вып.10. C.87-94.
[13] , Тараут волны слабопроводящей жидкости в переменном электрическом поле. http://ehd. pmf. ru/articles/pdfs/2_78.pdf
[14] , Шуваева жидкости в электрическом поле без контакта с потенциалзадающими электродами. Санкт-Петербург: Письма в журнал технической физики. 2001. №20. Т.27. C.35-38.
[15] , Стеблянко гомогенности слабопроводящих жидкостей в сильных элеткрических полях. Санкт-Петербург: Журнал технической физики. 1997. №10. Т.67. C.105-111.
[16] , , Синицын жидкостей в электрических полях. Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. Приложение к спецвыпуску. 2002. №10. C.221-230.
[17] , , Синицын жидкостей в электрических полях. Казань: Тезисы докладов российской конференции по теплофизическим свойствам веществ. 2002. С.212-213.
[18] , Гумеров диффузия жидкостей в электрических полях. Казань: Бутлеровские сообщения. Приложение к спецвыпуску. 2002. №10. C.213-220.
[19] Остапенко электрического поля на динамическую вязкость жидких диэлектриков. Санкт – Петербург: Журнал технической физики. 1998. №1. Т.68. C.40-43.
[20] Остапенко эффект в переменном электрическом поле. Санкт-Петербург: Журнал технической физики. 2000. Т.70. C.136-138.
[21] , , Пашанин вязкость жидкостей в электрических полях. Химия и компьютерное моделирование. Бутлеровские сообщения. Приложение к спецвыпуску. 2002. №10. C.204-212.
[22] Tao R., Huang K., Tang H., Bell D. Electrorheology Leads to Efficient Combustion. Energy & Fuels. 2008. Vol.22. P.3785-3788.
[23] R. Tao. Electric-Field Assisted Fuel Atomization. Department of Physics. Temple University, Philadelphia, PA 19122, USA.
[24] , Медведев электрострикции и анизотропная неустойчивость жидких диэлектриков в неоднородном электрическом поле. Новосибирск: Всероссийская конференция "Электрофизика материалов и установок". 2007. С.10-17.
[25] , Зубарева конфигурация поверхности проводящей жидкости во внешнем пространственно-периодическом электрическом поле. Санкт-Петербург: Письма в журнал технической физики. 2010. Т.36. C.40-44.
[26] , Зубарева распространение волн конечной амплитуды по поверхности диэлектрической жидкости в тангенциальном электрическом поле. Санкт-Петербург: Письма в журнал технической физики. 2006. Т.33. C.40-44.
[27] , , Григорьев осцилляции незаряженной электропроводной капли в однородном внешнем электростатическом поле. Санкт-Петербург: Журнал технической физики. 2005. Т.75. C.36-44.
[28] О некоторых закономерностях поляризации и диспергирования капли в электростатическом поле. Санкт-Петербург: Журнал технической физики. 2000. Т.70. C.20-26.
[29] , Зырянов электрического поля на макрокинетику процессов горения. Казань: «Вестник КГТУ». 2011. №1. С.89-95.
[30] , , Зырянов электрического поля на структуру диффузионного пламени при различных коэффициентах избытка окислителя. Казань: «Известия вузов. Авиационная техника». 2010. №2. С.59-62.
[31] Бобров электрического поля на тепловую структуру диффузионного пламени коаксиальных струй. Автореф. дис. … канд. тех. наук. 05.07.05. Казань. 2009.
[32] , , Самохин взрывного вскипания при импульсном лазерном воздействии. Труды института общей физики им. . 2004. Т.60. C.127-148.
[33] , , Байдаков свойства жидкостей в метастабильном состоянии. М: Атомиздат. 1980. 208c.
