CC BY
7
62
ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2010. № 3
Воспламенение пленок углеводородов при помощи импульсного разряда, распространяющегося над поверхностью воды
А. Ф. Александров, Д. Н. Ваулин0, В. А. Черников
Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, физический факультет, кафедра физической электроники. Россия, 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 2.
E-mail: а [email protected]
Статья поступила 14.02.2010, подписана в печать 28.03.2010
Приводятся результаты экспериментальных исследований воспламенения и горения тонких углеводородных пленок, нанесенных на поверхность воды, при помощи импульсного разряда, распространяющегося над жидкостью в неподвижном воздухе при атмосферном давлении.
Ключевые слова: импульсный разряд, поверхность жидкости, воспламенение углеводородов, скорость распространения.
УДК: 533.9:551.594 PACS: 52.80.Tn.
Введение
1. Схема эксперимента
Импульсные высоковольтные электрические разряды, создаваемые в атмосфере между двумя электродами, один из которых размещен над поверхностью слабопроводящей жидкости, а второй контактирует с ней [1-4], могут быть эффективны для целого ряда технологических применений, таких как электроразрядная очистка воды [2], обработка материала твердого электрода [3] и др. В то же время импульсные разряды широко используются для воспламенения скоростных потоков как газообразных, так и жидких углеводородов, в частности в [4] исследуется горение тонких углеводородных пленок в плазме поверхностного импульсного СВЧ разряда. В настоящей работе исследовался характер воспламенения и горения тонких пленок углеводородов (бензина, керосина и спирта) при воздействии импульсного разряда, распространяющегося над поверхностью слабопроводящей жидкости. Эксперименты проводились в основном для случая нанесения бензина на поверхность технической воды.
В работе использовалась установка, подробное описание которой приведено в [5]. Техническая вода наливалась в диэлектрическую кювету, над которой располагался отрицательный электрод (катод) в виде заостренного стержня. Плоский заземленный электрод (анод) размещался в воде у противоположной стенки кюветы. На поверхность воды наносилась тонкая пленка бензина либо другого углеводорода, количество которого можно было регулировать от 0.1 до 5 г с точностью 0.05 г. Таким образом, толщина пленки бензина над поверхностью воды изменялась от 0.1 до 5 мм. Для инициации горения использовался импульсный разряд, распространяющийся по поверхности воды от катода к аноду; длительность импульса изменялась в пределах 100-300 мкс, начальное напряжение Щ источника питания варьировалось от 10 до 25 кВ. Расстояние между катодом и анодом и высота подъема катода над поверхностью воды устанавливались постоянными (Ь = 50 мм, Я = 5 мм). Для ограничения тока последовательно с разрядом включалось балластное сопротивление Яь. Для регистрации воспламенения и горения
t
——
V л Г ft—
л
\А >
I, отн. ед. 2.8
2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4
б
I, А
Рис. 1. (а) Осциллограммы разрядного тока (/) и свечения разряда без добавок (2) и с добавкой 0.2 г бензина (3), фотоумножитель расположен у анода, (б) Зависимость интенсивности свечения разряда от тока без добавок (кружки) и с добавкой 0.1 г бензина (квадраты). = 2 кОм, 1/о = 14 кВ
РАДИОФИЗИКА, ЭЛЕКТРОНИКА, АКУСТИКА
63
бензина использовался фотоумножитель, расположенный перпендикулярно оси разряда на расстоянии 20 см от него. Отметим, что фотоумножитель регистрировал интенсивность излучения в спектральном диапазоне, который определяется его характеристиками.
2. Результаты
На рис. 1 ,а приведены типичные осциллограммы разрядного тока и интенсивности свечения в течение длительности импульса. Как следует из приведенных осциллограмм, интенсивность свечения разряда резко возрастает в момент его замыкания на катод независимо от того, присутствует или нет добавка бензина, а затем либо остается постоянной, либо уменьшается до окончания импульса. В то же время добавка на поверхность воды даже небольшого количества бензина 0.2 г (минимальная масса бензина в экспериментах составляла 0.1 г) приводит к существенному росту интенсивности свечения. На рис. 1,6 приведены зависимости максимальной интенсивности свечения от величины разрядного тока. Видно, что интенсивность свечения растет с увеличением тока разряда независимо от добавки бензина, но нанесение бензина на поверхность воды приводит к возрастанию интенсивности в 2-2.5 раза.
При нанесении бензина на воду происходит не только увеличение интенсивности свечения, но и существенно изменяется характер ее временной эволюции. В качестве примера на рис. 2 приведены осциллограммы свечения, полученные с различными временными развертками. Рис. 2,а соответствует временам, сопоставимым с длительностью импульса (т~ ЮОмкс), а рис. 2, б — гораздо большим временным интервалам после его окончания.
Как следует из приведенных осциллограмм интенсивность свечения в стадии разряда во много раз (в данном случае в 4 раза) превышает интенсивность горения бензина после окончания импульса. Рассмотрим более подробно временную зависимость свечения продуктов горения на рис. 2,6. Подчеркнем, что из-за большой разности во временных развертках, импульс
разряда на рис. 2,6 выглядит как резкая вертикальная линия, отмеченная стрелкой. Далее на этой осциллограмме можно выделить три временные фазы. Первая соответствует временному интервалу , который можно условно определить как некое время предварительного свечения либо время предварительного горения. Затем во временном интервале (время паузы) свечение не регистрируется, и, следовательно, горение не происходит (вторая фаза). И, наконец, после окончания паузы реализуется третья фаза, соответствующая режиму самостоятельного горения, который продолжается после окончания импульса до полного выгорания бензина. Отметим, что время предварительного свечения при малых добавках бензина существенно зависит от его количества. Так, экспериментально установлено, что при добавке 0.1 г бензина самостоятельного горения не происходит. В этом случае, не доливая больше бензина, определялось время послесвечения после проведения определенного числа пусков разряда. Было установлено, что это время экспоненциально уменьшается с увеличением числа пусков и в пределе оно падает до величины, характерной для разряда в чистой воде, т.е. до значения порядка 200-500 мкс. Эксперименты показали, что как процесс распространения разряда над поверхностью жидкости, так и процесс горения бензина имеют нестационарный характер. Поэтому достаточно трудно определить какие-либо зависимости, характеризующие процесс горения, от внешних параметров разряда. В этих условиях можно лишь говорить об определении некоторых тенденций, наблюдаемых в процессе горения. Одной из таких тенденций, которую можно проследить на основании статистической обработки большого количества экспериментов, является заключение о том, что с ростом массы бензина, нанесенного на поверхность воды, время предварительного свечения растет, а время паузы падает. В качестве примера на рис. 3 приведены зависимости усредненных времен предварительного свечения и паузы от толщины пленки (а следовательно, и от массы) добавленного бензина.
Как следует из рис. 3, а, время предварительного свечения возрастает с увеличением массы добавленного
1 р* J /
,' р \
Рис. 2. Осциллограммы тока (/) и свечения разряда (4) при Нь = 1 кОм, Щ = 20 кВ с добавкой 0.9 г бензина: а — быстрая развертка, чувствительность по каналу свечения (4) 2 В/дел; б — медленная развертка,
чувствительность по каналу свечения (4) 500 мВ/дел
64
ВМУ. Серия 3. ФИЗИКА. АСТРОНОМИЯ. 2010. № 3
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 к, мм 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 к, мм
Рис. 3. Зависимости времени предварительного свечения (а) и времени паузы (б) от толщины пленки бензина
при Нь = 1 кОм, и0 = 20 кВ
бензина. С другой стороны, увеличение времени предварительного свечения сопровождается соответствующим уменьшением времени паузы (рис. 3,6). Отметим, что тенденция к росту времени предварительного свечения несколько замедляется, и оно даже начинает уменьшаться при больших количествах добавленного бензина. Однако при этом достаточно сложно точно определить как время предварительного свечения, так и время паузы, так как при этих условиях практически одновременно с окончанием импульса начинается самостоятельное горение бензина и невозможно определить разницу между промежуточным свечением и горением.
Заключение
Из полученных экспериментальных результатов следует, что добавка бензина приводит к значительному увеличению интенсивности свечения разряда в течение импульса. После окончания импульса горение бензина может происходить в три стадии: фаза предваритель-
ного горения, пауза и фаза самостоятельного горения, причем по мере увеличения массы добавленного бензина время паузы уменьшается, и стадия самостоятельного горения начинается сразу же после окончания импульса разряда.
Работа выполнена при финансовой поддержке С1ШР (проект 1ШР2-1514-МО-06).
Список литературы
1. Белошеев В.П. // ЖТФ. 1998. 68, № 7. С. 44.
2. Шмелев В.М., Евтюхов Н.В., Козлов Ю.Н., Бархударов Э.М. // Хим. физика. 2004. 23, № 9. С. 77.
3. Гаисин А.Ф., Сон Э.Е. // ТВТ. 2005. 2005. 4, № 1. С. 5.
4. Александров А.Ф., Шибкое В.М., Шибкова Л.В. 11 Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2008. № 6. С 65.
5. Александров А.Ф., Ваулин Д.Н., Ершов А.П. и др. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2009. № 1. С. 1.
Hydrocarbon film ignition by the on-water surface propagating impact discharge A. F. Aleksandrov, D. N. Vaulin11, V. A. Chernikov
Department of Physical Electronics, Faculty of Physics, M. V. Lomonosov Moscow State University, Moscow
119991, Russia.
E-mail: a [email protected].
The experimental study results are presented on the on-water deposited thin hydrocarbon films ignition and burning by the impact discharge, propagating above the liquid surface in motionless atmosphere.
Keywords: impact discharge, liquid surface, hydrocarbon ignition, velocity of propagating.
PACS: 52.80.Tn.
Received 14 February 2010.
English version: Moscow University Physics Bulletin 3(2010).
Сведения об авторах
1. Александров Андрей Федорович — докт. физ.-мат. наук, профессор; тел.: (495) 939-25-74.
2. Ваулин Дмитрий Николаевич — аспирант; тел.: (495) 939-38-85, e-mail: [email protected].
3. Черников Владимир Антонович — канд. физ.-мат. наук, доцент; тел.: (495) 939-38-85.
