CC BY
12PHYSICS AND MATHEMATICS
О МЕХАНИЗМЕ ИОНИЗАЦИИ В КОПТЯЩИХ АЦЕТИЛЕНОКИСЛОРОДНЫХ ПЛАМЁНАХ,
ГОРЯЩИХ ПРИ НИЗКИХ ДАВЛЕНИЯХ
Барташевская Л.И.,
доцент, кафедра физики Зайцев А. С., доцент, кафедра физики Морозова Т.В.
старший преподаватель, кафедра физики
ON THE MECHANISM OF IONIZATION IN SMOKY ACETYLENEOXYGEN FLAMES BURNING
AT LOW PRESSURES
Bartashevskaya L.,
Associate Professor, Department of Physics
Zaitsev A.,
Associate Professor, Department of Physics
Morozova T.
Senior Lecturer, Department of Physics
Аннотация
Исследование функции распределения электронов по энергиям в ацетиленокислородных пламёнах, горящих при низких давлениях, при высоких концентрациях топлива в горючей смеси показали: при переходе от реакционной зоны к зоне угольных частиц меняются как средняя энергия электронов (значительно увеличивается), так и их концентрация (незначительно уменьшается, оставаясь тем не менее в несколько раз большей равновесной). Это можно объяснить преобладанием процесса термохемиионизации в зоне угольных частиц пламени.
Abstract
Investigation of the electron distribution on functions in acetyleneoxygen flames burning at low pressures at high concentrations of fuel in the combustible mixture showed that during transition from the reaction zone to the zone of coal particles changes both the average energy of the electrons (significantly increases) and their concentration (slightly decreases, remaining nonetheless several times greater than the equilibrium). This can be explained by the predominance of the process of thermochemiionization in the zone of coal flame particles.
Ключевые слова: угольные частицы, функция распределения электронов по энергиям, средняя энергия электронов, концентрация электронов, термохемиионизация.
Keywords: coal particles, electron energy distribution function, average electron energy, electron concentration, chemistry ionization.
Данная работа посвящена изучению процесса ионизации в углеводородных пламенах, горящих при низких давлениях, в которых установлено два вида ионизации: хемиионизация и термическая ионизация. Первая преобладает в реакционной зоне прозрачных пламен, в которых отсутствуют раскаленные угольные частицы или легкоионизируемые присадки щелочных и щелочноземельных металлов. Термическая ионизация устанавливается в зоне сгоревших газов, отчетливо проявляется с присадками щелочных металлов, а также в высокотемпературных светящихся пламенах, содержащих раскаленные угольные частицы. Равновесное значение концентрации электронов определяется формулой Саха.
В отдельный вид ионизации в углеводородных пламенах следует отнести термохемиионизацию. Её проявление можно наблюдать в светящихся пламенах низкого давления. Температура в таких пламенах не превышает 1500 К, а концентрация свободных электронов значительно превышает те значения, которые получаются в предположении
термодинамического равновесия на основе формулы Саха или формулы Айнбиндера [1].
Термохемиионизация включает два последовательных процесса:
1) поверхностную ионизацию на угольных частицах с образованием отрицательных ионов;
2) превращение отрицательных ионов в свободные электроны.
Отрицательные ионы очень быстро меняют свою природу, участвуя в ионно-молекулярных реакциях, обычно протекающих без энергии активации и имеющих большие скорости. Наряду с процессом превращения отрицательных ионов в нейтралы и свободные электроны может действовать и процесс прилипания электронов - захват электронов молекулами с положительным сродством к электрону.
Поверхностную ионизацию с образованием отрицательных ионов можно рассматривать как процесс, аналогичный термоэлектронной эмиссии, и описывать уравнением Саха-Ленгмюра [2]
The scientific heritage No 38 (2019) 43
П - q expf S) ], Константа скорости реакций типа (1) порядка 10-9 см3/с.
n q { Щ J Так как реакция (2) не требует энергии актива-
где n, ni - концентрации нейтрала и его отрицательного иона; q, qi - статистические веса нейтрала и его отри- ции, то эффективная энергия активации процесса ионизации будет равна Еа = е(Р-8)
цательного иона; вф - работа выхода электрона; eS - энергия сродства к электрону; Ti - абсолютная температура; к - постоянная Больцмана. Термохемиионизацию можно представить в виде серии реакций T + R ^ T++ R (1) В работе [3] было найдено, что Еа =(1,5 Н75) эВ. Работа выхода электрона из угольных частиц ер=4,35 эВ [4]. Тогда е5=(2,6^2,85) эВ. Полученный результат представляет усредненные значения энергии сродства к электрону радикалов, участвующих в реакциях типа (2). Анализ таблицы 1 показывает, что
R + M ^ e~ + нейтралы (2) сродством к электрону близким к (2,6^2,85) эВ об-
где Т - угольная частица; R - нейтральная частица с положительным сродством к электрону; R- ладают многие атомы, молекулы и радикалы, содержащиеся в углеводородном пламени.
- отрицательный ион; М - молекула газа; е - свободный электрон. Таблица 1.
Сродство к электрону некоторых атомов, молекул и радикалов [5]
Атомы, молекулы, радикалы eS, эВ
Н 0,754
С 1,27±0,01
О 1,407±0,002
СН 2,6±0,3
С2 3,3±0,2
С2Н 2,1±0,3
С2Н3 2,0
СНО 2,0
С3Н5О >4,2
НСО2 3,9
ОН 1,83±0,04
Н2О 3,04
СОз >2,9
С3Н3 2,34
Сз 1,8
О3 1,9±0,4
С3Н5О >4,2
НСО2 3,9
СН3СО2 3,36±0,5
Подтверждением выше указанного механизма ионизации могут служить проводимые нами опыты по изучению функции распределения электронов по энергиям (ФРЭЭ) в ацетиленокислородном пламени с концентрацией топлива в горючей смеси С=50 %. Пламя создавалось на горелке плоского пламени при давлении р=0,5 кПа в барокамере. Измерения проводились на встречных струях зондом из платина-платинородия (10 % ИИ), который имел диаметр ё=60 мкм и длину /=6мм.
В основу определения ФРЭЭ положен метод Дрювестейна. Как и в большинстве работ по измерению ФРЭЭ в газоразрядной плазме в данных исследованиях ацетиленокислородного пламени на медленно изменяющееся напряжение зонда накладывается слабый переменный сигнал. ФРЭЭ находились путём выделения второй гармоники с получением второй производной электронного тока по напряжению.
Во всех исследованных областях пламени (и в зоне подогрева, и в реакционной зоне, и в зоне сгоревших газов) и в том случае, когда пламя образовано горением предварительно составленной смеси, и когда создаётся плоское пламя на встречных струях, у которого с одной стороны поступает окислитель, а с другой - топливо, экспериментальная ФРЭЭ отличается от функции Максвелла. В экспериментальных ФРЭЭ явно выражен дефицит высокоэнергетических электронов [6, 7].
На рис. 1. представлены экспериментально полученная в плазме ацетиленокислородного пламени (у 2,3:1), горящем при давлении р=0,2 кПа ФРЭЭ (кривая 1) и одинаково нормированная с кривой 1 функция распределения Максвелла (кривая 2).
fWJ)
1.0
0.5
V 1
2
0.32
0,64
U.B
Рис. 1 ФРЭЭ в пламени на встречных струях
Так как экспериментальная ФРЭЭ отличается от функции распределения Максвелла, то для характеристики теплового движения свободных элек-
тронов следует ограничиться средней энергией {£ , величину которой можно найти из выражения
а2}
е) =
e$UF(eü)dU eJU
0__ 0
ад ад
J F (eU)dU ¡U1
2-^ dU
dU2
dU2
0 0
где F(eU) - функция распределения электронов по энергиям.
Расчёт концентрации свободных электронов производится в соответствии с формулой
ш 1/ п = л\и/2 ^аи,
I аи
где А - постоянная, определяемая предварительной калибровкой измерительной системы.
В зелено-голубой области пламени (эту область можно идентифицировать как реакционную зону), где протекают основные реакции горения и отсутствуют раскалённые угольные частицы, энергия, на которую приходится максимум ФРЭЭ составляет 0,25 эВ.
В то же время в красно-оранжевой области (её можно идентифицировать, как область угольных частиц), непрерывный спектр излучения которой связан с наличием раскалённых угольных частиц, максимум ФРЭЭ приходится на 0,7 эВ. Резкое возрастание энергии свободных электронов при переходе от реакционной зоны к зоне угольных частиц несомненно связано с изменением механизма ионизации. Завышенная энергия электронов возникает за счёт экзотермичности реакций типа (2).
Концентрация электронов в зоне угольных частиц в несколько раз меньше концентрации электронов в реакционной зоне, но на два-три порядка
превосходит равновесные значения концентрации электронов. Несомненно, что в зоне угольных частиц пламени низкого давления образование свободных электронов нельзя объяснить термоэлектронной эмиссией с угольных частиц, так как температура последних меньше 1500 К. Средняя энергия электронов в зоне угольных частиц достигает значения (s^ =0,7 эВ, что значительно превышает значение средней энергии электронов в реакционной зоне.
И сверхравновесную концентрацию свободных электронов и высокое значение их средней энергии можно объяснить тем, что в зоне угольных частиц действует термохемиионизационный механизм образования свободных электронов.
Список литературы
1. Лаутон Дж., Вайнберг Ф. Электрические аспекты горения. - М.: Энергия, 1976. - 284 с.
2. Добрецов Л.Н., Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. - М.: Наука, 1966.-564с.
3. Твердохлебов В.И., Чиркин Н.Н. Процесс ионизации в коптящем пламени низкого давления // Докл. АН СССР. - 1969. - Т. 188-№ 5. - С. 1102 -1103.
4. Фоменко В.С. Эмиссионные свойства материалов: Справочник. - Киев: Наукова думка, 1970 - 146 с.
5. Энергия разрыва химических связей. Потенциалы ионизации и сродство к электрону /Под ред. В.Н. Кондратьева. - М.: Наука, 1974. - 351 с.
6. Барташевская Л.И., Зайцев А.С., Твердо-хлебов В.И. Возмущение плазмы ацетиленокисло-родного пламени низкого давления электрическим разрядом // Теплофизика высоких температур. -1980. - Т. 18. - Вып. 3. - С. 638-639.
7. Барташевская Л.И., Зайцев А.С. Высоковозбужденные состояния молекул в ацетиленокис-лородном пламени низкого давления // Scientific discussion. - 2017. - vol. 1. - №4. - С.67-72.
