CC BY
15
ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИКА, ФИЗИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА И ФИЗИКА ПЛАЗМЫ УДК 533.9
ВОСПЛАМЕНЕНИЕ УГЛЕВОДОРОДНЫХ ПЛЕНОК В УСЛОВИЯХ ПОВЕРХНОСТНОГО СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО РАЗРЯДА
А. Ф. Александров, В. М. Шибков, JI. В. Шибкова
(.кафедра физической электроники) E-mail: [email protected]
В условиях поверхностного СВЧ-разряда в неподвижном воздухе реализовано быстрое плазменно-стимулированное воспламенение жиджих углеводородов. Показано, что в зависимости от подводимой СВЧ-мощности период индужции изменяется от 5 до 30 мжс, воспламенение происходит на антенне в области существования поверхностного СВЧ-разряда при температуре газа, не превышающей 1000 К, скорость распространения передней границы области интенсивного горения ожоло антенны достигает 300 м/с.
Особенности самостоятельного поверхностного СВЧ-разряда очень перспективны с точки зрения быстрого воспламенения углеводородных химически активных смесей [1-7]. В настоящее время эта проблема является очень актуальной с точки зрения новой области физики, а именно плазменной аэродинамики, где одним из главных направлений является задача максимального сокращения периода индукции для воспламенения высокоскоростных газовых потоков. Это можно осуществить с помощью газоразрядной плазмы, которая интенсифицирует разветвленно-цепные реакции при горении углеводородов. С целью применения поверхностного СВЧ-разряда для воспламенения жидких углеводородов необходимо проводить эксперименты при атмосферном давлении воздуха, так как летучие жидкости, помещаемые в вакуумную камеру, начинают быстро испаряться при понижении давления. В работах [8, 9] реализован поверхностный СВЧ-разряд при атмосферном давлении воздуха на поверхности кварцевой антенны прямоугольного сечения 9x18 мм при импульсной СВЧ-мощности всего 10-20 кВт.
Для изучения воспламенения жидких углеводородных пленок использовалась экспериментальная установка, состоящая из вакуумной камеры, магне-тронного генератора, системы для ввода СВЧ-энер-гии в камеру и диагностической системы. В качестве источника СВЧ-излучения использовался импульсный магнетронный генератор сантиметрового диапазона длин волн. Магнетронный генератор мог работать либо в однократном режиме, либо в режиме частых посылок СВЧ-импульсов. Магнетрон имел следующие характеристики: длина волны Л = 2.4 см; отдаваемая в тракт импульсная СВЧ-мощность 1У7 < 100 кВт; длительность импульсов т = 5^200 мкс; частота повторения импульсов
/ = 1-И00 Гц, скважность в режиме повторяющихся импульсов С} = 1000; при этом средняя мощность не превышала 100 Вт.
На рис. 1 представлен интегральный снимок процесса воспламенения и горения чистого спирта в условиях поверхностного СВЧ-разряда при атмосферном давлении воздуха. Жидкий спирт нанесен тонким слоем только на левую поверхность вертикально расположенной кварцевой антенны. Так как время экспозиции кадра равно 2 с, то на одной фотографии одновременно можно видеть горение спирта в условиях поверхностного СВЧ-разряда, т.е. при наличии сильного приведенного электрического поля (яркое белое свечение слева у поверхности антенны), и слабое синеватое свечение справа от антенны (это обычное нормальное стационарное горение спирта). На этом же кадре можно видеть некоторое компактное светящееся образование, оно
Рис. 1. Интегральный снимок процесса воспламенения и горения чистого спирта в условиях поверхностного СВЧ-разряда. Условия эксперимента: давление воздуха 1 атм, длительность СВЧ-импульса 100 мкс, импульсная СВЧ-мощность 55 кВт
начинает образовываться в зоне СВЧ-разряда при воспламенении спирта, газ нагрет в нем до 2000 К и ионизован. Это образование можно отождествить с процессом автовоспламенения и догорания мелких капелек спирта, инжектируемых из зоны горения у поверхности антенны, а также паров спирта и газообразных продуктов его деструкции в СВЧ-раз-ряде. Если СВЧ-разряд создается внутри налитого в углубление на фланце спирта и внешнее воспламенение спирта не происходит, то выделяемая внутри спирта энергия переходит в направленное движение либо капелек жидкости, либо наблюдаются струйки жидкости, летящие со скоростью ~ 10 м/с.
Также нами исследован ряд параметров рассматриваемого выше процесса. В частности, на рис. 2 представлены данные о положении (кривая 1) и скорости (кривая 2) передней границы области интенсивного горения спирта, воспламеняемого поверхностным СВЧ-разрядом. Регистрируемая скорость учитывает движение газа, вызванное ударными волнами, инициируемыми поверхностным СВЧ-разря-дом, а также связанное с расширением продуктов горения спирта вблизи антенны. Видно, что период индукции для воспламенения спирта в этих условиях равен приблизительно 20 мкс. Следует подчеркнуть, что за 10-20 мкс воздух в условиях поверхностного СВЧ-разряда при атмосферном давлении нагревается только до 1000 К. Поэтому в этих условиях наблюдается нетепловой механизм воспламенения.
Рис. 2. Положение (кривая 1) и скорость (кривая 2) передней границы области интенсивного горения спирта в воздухе в условиях поверхностного СВЧ-разряда при р = 1 атм, IV = 55 кВт, т=100 мкс
Сравнение тепловых потоков от плазмы им-пульсно-периодического поверхностного СВЧ-разря-да в воздухе и от пламени при горении спирта в воздухе показало, что на всех расстояниях от антенны потоки тепла от пламени при воспламенении спирта в 4-10 раз больше потоков от плазмы поверхностно-
го СВЧ-разряда в воздухе. У поверхности антенны в зоне интенсивного горения пе = 3- 1011 см-3.
Был исследован также процесс воспламенения бензина и керосина с помощью поверхностного СВЧ-разряда. Теплотворные способности бензина и керосина почти в два раза больше, чем у спирта. Общий вид горения бензина, воспламененного в условиях однократного поверхностного СВЧ-разряда, представлен на рис. 3. Период индукции с увеличением подводимой СВЧ-мощности уменьшается с 22 мкс при = 55 кВт до 8 мкс при № = 75 кВт.
Рис. 3. Горение бензина, воспламененного в условиях поверхностного СВЧ-разряда при р = 1 атм, W = 55 кВт, т= 100 мкс. Время экспозиции 1 с
Вблизи антенны при создании поверхностного СВЧ-разряда происходит эффективное испарение и деструкция бензина, наработка активных частиц и радикалов. Происходит также эффективный выброс паров и мелких капелек бензина. На расстоянии у = 1 -3 см от антенны происходит автовоспламенение продуктов деструкции бензина и движущихся капелек бензина, начинающееся через время порядка 3-5 мс после окончания СВЧ-импульса. Интенсивность свечения достигает максимального значения через 10 мс и продолжается еще в течение 30-40 мс. Измеренная в условиях интенсивного горения бензина температура пламени 7 = 3100 К. Аналогичные эксперименты были выполнены при воспламенении керосина в условиях поверхностного СВЧ-разряда. Период индукции для керосина, определенный тем же способом, что и при воспламенении спирта и бензина, равен 15 мкс при подводимой импульсной СВЧ-мощности 55 кВт.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант 08-02-01251) и программы П-09 Президиума РАН.
Литература
1. Шибкое В.М., Виноградов Д.А., Восканян A.B. и др. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2000. № 6. С. 64.
2. Шибкое В.М., Александров А.Ф., Ершов А.П. и др. // Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2004. № 5. С. 67.
3. Шибкое В.М., Ершов А.П., Черников В.А., Шибко-ва Л.В. // Журн. техн. физики. 2005. 75. С. 67.
4. Шибкое В.М., Двинин С.А., Ершов А.П., Шибко-ва Л.В. // Журн. техн. физики. 2005. 75. № 4. С. 74.
5. Шибкое В.М., Александров А.Ф., Ершов А.П. и др. // Физика плазмы. 2005. 31. № 9. С. 857.
6. Двинин С.А., Шибкое В.М., Михеев В.В. // Физика плазмы. 2006. 32, № 7. С. 654.
7. Шибкое В.М., Двинин С.А., Ершов А.П. и др. // Физика плазмы. 2007. 33, № 1. С. 77.
8. Шибкова Л.В. II Вестн. Моск. ун-та. Физ. Астрон. 2007. № 5. С. 62.
9. Шибкова Л.В. Физические процессы в движущейся плазме многокомпонентных инертных и химически активных смесей: Дис. ... д-ра физ.-мат. наук. М., 2007.
Поступила в редакцию 04.04.2008
