Впервые широкое изучение воздействия на горение электрических полей предпринято в работах А.Э.Малиновского с сотрудниками[9-19] в 30-е годы XX века. Ими было обнаружено изменение скорости горения и скорости распространения пламени в продольных и поперечных электрических полях, причём в зависимости от схемы наложения поля наблюдалось как уменьшение, так и увеличение этих параметров. В некоторых случаях скорость горения увеличилась до десяти раз[9], показана зависимость эффекта воздействия поля от давления[16,19] и частоты приложенного внешнего напряжения[11,17], возможность гашения пламенем электрическим полем[16,18].
Обычно при изучении воздействия электрического поля на процессы горения для оценки степени этого воздействия применялся дифференциальный метод, т.е. определяется изменение каких-либо характеристик горения в зависимости от напряжённости приложенного поля, отнесённое к величине этих параметров в отсутствие поля. В качестве таких характеристик горения наиболее часто используются следующие: нормальная скорость горения и скорость распространения пламени, пределы стабилизации и критические расходы срыва, температура и энтальпия пламени, концентрация возбуждённых частиц, ионов и радикалов, состав продуктов горения и другие.
Почти во всех работах [3,11,20] констатируется сильное влияние электрического поля на исследуемые характеристики горения, причём степень этого влияния зависят от концентрации топлива в горючей смеси, достигая максимума в том случае, когда реализуется диффузионное горение.
Существенное влияние на наблюдаемые эффекты оказывает направление поля относительно направления линии тока пламени (обычно говорят о продольном и поперечном электрическом поле), а также полярность электродов, между которыми создаётся поле. Последнее обусловлено тем, что подвижность носителей заряда противоположных знаков в пламени в различных условиях может сильно различаться.
1.3 Вероятный механизм влияния электрического поля на распространение пламени.
Анализу возможных механизмов воздействия электрического поля на процесс горения посвящены работы[19,20]. В принципе, изменение характеристик процесса горения в электрическом поле могут быть объяснены следующими причинами:
1. «Ионный ветер», т.е. возникновение при включении поля направленного движения ионов и увлекаемых ими нейтральных частиц вдоль силовых линий поля. Ионный ветер, таким образом, изменяет режим течения газа, в результате чего могут измениться форма и скорость распространения пламени, а также массовая скорость горения;
2. Превращение в объёме пламени энергии электрического поля в тепловую, в результате чего повышается температура и, в соответствии с законом Аррениуса , увеличивается скорость химических реакций;
3. Прямое воздействие электрического поля на скорость химических реакций, например, вследствие поляризации реагирующих частиц и их активации, осуществляемой посредством соударений с электронами, которые в поле приобретают некоторую дополнительную энергию.
Что касается поляризации частиц в электрическом поле, то этот процесс в какой-то мере несомненно существует, тем более что частицы в пламени большей частью представляет собой полярные молекулы и радикалы. С точки зрения развития химической реакции поляризация реагирующих частиц является фактором, благоприятствующим химическому воздействию соударяющихся частиц.
По-видимому, на процесс распространения пламени электрическое поле влияет одновременно как посредством ионного ветра и преобразованием энергии электрического поля в тепловую, так и прямым воздействием на кинетику химических реакций, хотя определяющее влияние при соответствующей напряжённости поля и его направлении может оказывать один из названных процессов. При изменении напряжённости и направлении поля может оказаться, что начинает преобладает другой процесс.
К сожалению, теория этого вопроса отсутствует, так как реальная структура пламени пока неизвестна, нет данных об электрических, магнитных и энергетических константах частиц, находящихся в пламени, а также о протекающих элементарных процессах, не говоря уже о такой сложной суперпозиции полей, как электрическое, температурное и концентрационное.
Рассмотрим варианты наложения электрического поля и электрического заряда на горелку с возможным изменением их направления и знака заряда. На рис. 2 представлены четыре варианта наложения поля и заряда.
В варианте а поле создаётся 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 б 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 в и г отличаются отсутствием второго электрода и наложением электрического заряда на горелку. В вариантах б и г пламя предельно чётко 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 объёма пламени будут стремится к горелке; в варианте г должна наблюдаться обратная картина: к положительно заряженной горелке 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 дифференцировано и более чётко выявить влияние ионного ветра на процесс распространения пламени.
Следовательно, создаются предпосылки для определения влияния имеющихся в пламени заряжённых частиц на кинетику химических реакций, так как повышение температуры пламени за счёт 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 ламинарного гомогенного пламени рассмотреть взаимосвязь величин, входящих в уравнение Гуи-Михельсона, и их влияние на внешние характеристики пламени.
Известно, что нормальная скорость uн является характеристикой процесса горения и определяется кинетикой химических реакций и температуропроводностью среды:
(1)
где- средняя скорость химической реакции;
а - температуропроводность.
С другой стороны, в соответствии с постулатом Гуи ламинарных гомогенных пламён справедливо соотношение
=, (2)
где Sк - поверхность фронта пламени (внутреннего конуса);
v- расход горючей смеси.
Таким образом, для смеси данного вида, составленного из конкретного топлива и окислителя uн =const, при постоянстве её 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 (uн =const). Следовательно, связь между параметрами, характеризующими распространение ламинарного гомогенного пламени, можно представить в следующем виде:
;
. (3)
Иными словами, при постоянстве входных условий (гидродинамических, тепловых и концентрационных) уменьшение или увеличение поверхности фронта горения происходит в результате увеличения или уменьшения uн, т.е. в соответствии с соотношением (1) uн 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. 2, с целью индивидуальной оценки влияния поля по таким характеристикам, как скорость горения и 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 увеличение потоком положительных ионов всей массы газов к отрицательному электроду-горелке в случае наложения продольного электрического поля по схеме а (см.рис 2) должно вызвать уменьшение высоты внутреннего конуса и поверхности горения Sk; и наоборот, при схеме б, когда горелка находится под положительным потенциалом, следует ожидать увеличение kh и Sk.
В соответствии с соотношениями (2) и (3) при постоянстве входных и внешних условий такие изменения hk и Sk объясняются только изменением uн, 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 раскалённых газов при наложении поля по рис. 2, а, приближают зону с более высокой температурой к горелке, в результате чего создаются условия для более интенсивного теплообмена между раскалёнными 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. 2, б зона с более высокой температурой будет смещаться вверх, так как ионы увлекут за собой к катоду нейтральную массу раскалённых газов Теплообмен со свежей смесью в этом случае ухудшиться, развитие горения замедлится и фронт пламени увеличит поверхность горения.
При наложение заряда на горелку по рис. 1, в и г возможные изменения hk и Sk, происходящие за счёт электрического взаимодействия положительных ионов с зарядом на горелке, могут быть объяснены также, как и влияние поля. Однако эффект изменения Sk окажется значительно слабее.
Рассмотрим влияние электрического поля и заряда по пределу устойчивости по срыву и проскоку пламени, стабилизированного на горелке, принимая за основной механизм воздействия ионный ветер. Простейшим условием устойчивого горения является равенство
