Експериментальне визначення струму в пропанокисневих сумішах

3

Курсова робота на тему:

Експериментальне визначення струму в пропанокисневих сумішах

План

Постановка завдання

1. Теоретичний аналіз стійкості системи “полум'я+розряд” стосовно малих збурювань

1.1 Ефективність електричного посилення

1.2 Плоскі хвилі збурювання

2. Аналіз і обговорення експериментальних даних

2.1 Вивчення впливу електричного розряду на зону горіння вуглеводних палив

2.2 Розрахунок поля показника переломлення по інтреферограмам системи “полум'я+розряд”

3. Експериментальна установка й методика дослідження

Висновки

Література

Постановка завдання

В даній курсовій роботі поставлені наступні завдання:

досліджувати вплив сили струму розряду на нормальну швидкість горіння;

дослідження залежності граничного значення струму розряду переходу дифузійного розряду в шнуровий від сполуки горючої суміші;

теоретично досліджувати стійкість системи "пропан+повітря" стосовно малих збурювань.

1. Теоретичний аналіз стійкості системи “полум'я+розряд” стосовно малих збурювань

1.1 Ефективність електричного посилення

Ефективність електричного посилення й можливість керування процесом горіння полум'я залежить від величини поглинається зоною горіння енергії електричного розряду. Якщо розглядати процес "посилення" полум'я з позиції теплового механізму, то можна бачити, що визначальним процесом у цьому випадку є розігрів газу електричним струмом, що протікає через нього, тому що відповідно до закону Аррениуса, збільшення температури газу приводить до значного збільшення швидкості горіння. Але вже при незначних величинах електричного струму (порядку декількох десятків мили ампер для пропано-повітряного полум'я) у розряді розвиваються нестійкості, обумовлені локальним перегрівом газу й зменшенням у цій області електричного опору, так звана іонізаційна нестійкість, що приводить до порушення дифузності розряду і його "шнуруванню" з переходом у дуговий. Сам дуговий розряд, як відомо, не забезпечує ефективного посилення горіння, оскільки має більшу, у порівнянні з газом в'язкість плазменого шнура, завдяки чому утвориться свій канал горіння. Газ у цьому випадку просто обтікає "дугу", як абсолютно тверде тіло, не проникаючи в розрядний канал і посилення, у цьому випадку досягається головним чином за рахунок теплопровідності й випромінювання від дуги й, відповідно, падає ефективність посилення полум'я.

У даній роботі досліджується можливість організації дифузійного електричного розряду в зоні горіння, по своїх теплових параметрах (висока ентальпія) близьким до дугового, однак у зоні інтенсивних хімічних реакцій у дифузійному режимі. Здійснення такого розряду дозволить суттєво збільшити внесок енергії в зону горіння й, отже, ефективно підсилювати й управляти горіння.

При включенні джерела харчування в зоні горіння створюється однорідний по об'єму електричний розряд. Однак малі відхилення параметрів даної системи від стаціонарного стану можуть привести до нестійкості однорідного розряду і його "шнуруванню". У цьому випадку до нестійкості можуть привести флуктуації температури, щільності й локальна зміна провідності полум'я.

Таким чином, математично завдання зводиться до дослідження лінійної нестійкості стосовно збурювань щільності r, температури Т и концентрації електронів N_e.

1.2 Плоскі хвилі збурювання

Розглянемо завдання для випадку плоских хвиль збурювання. Для опису системи “полум'я+розряд” скористаємося звичайними рівняннями газодинаміки, тобто рівняннями нерозривності, рухів й енергії з різними джерелами тепла, а також рівнянням балансу електронів, у якому є процеси рекомбінації й народження електронів:

s--=--e²N_e/m_e/n_m - провідність полум'я

W_el - джоулеві тепловиділення

W_ch - швидкість тепловиділення в хімічних реакціях горіння по аррениусовському законі з тепловим ефектом Q, ефективною константою швидкості хімічних реакцій k, показником n і енергією активації Е_а.

R - газова постійна, з - теплоємність, l-----коефіцієнт теплопровідності, D_a - коефіцієнт амбиполярної дифузії, g-----,--n_i - частота іонізації, b_r - частота рекомбінації, m-----молярна маса газу.

Будемо шукати рішення системи у вигляді плоскої хвилі, для чого перепишемо її для збурювання типу шнура (k j, v || k). Обробимо систему в околиці стаціонарного стану, припустивши, що

де y - напрямок, перпендикулярний напрямку струму. Величини з індексом (0) угорі відповідають стаціонарному стану.

При лінеаризації джерел і стоків у рівнянні енергії скористалися перетворенням Франк-Каменецького:

W_ch = QkTⁿexp{-E_a/RT} = QkTⁿexp{-E_a/RT⁽⁰⁾ + E_a/RT⁽⁰⁾²*[T - T⁽⁰⁾];

W_ch'=QkT⁽⁰⁾ⁿexp{-E_a/RT⁽⁰⁾} + QkT^(0)n-1T^(a)[n +E_a/RT⁽⁰⁾] exp{-E_a/RT⁽⁰⁾}.

З огляду на, що нас цікавить рішення для змінної збурювання (для стаціонарного стану рішення тривіально) стаціонарну даного рівняння можна опустити, тоді

W_ch'= QkT^(0)n-1T^(a)[n +E_a/RT⁽⁰⁾] exp{-E_a/RT⁽⁰⁾}; W_el'= s^(a)E².

Після лінеаризації вихідна система прийме вид:

iwr^(a) - ikr^(_)v^(a) = 0

iwv^(a)r⁽⁰⁾ - ikT⁽⁰⁾r^(a)R/m-----ikRT^(a)r^(_)/m???_

[iwcr^(_)--+--k²l²-----QkT^(0)n-1(n+E_a/R/T⁽⁰⁾)exp(-E_a/R/T⁽⁰⁾)]T^(a) - e²E²N_e^(a)/m_e/n_m= 0 -gQkT^{(0) n-1}(n+E_a/R/T⁽⁰⁾)T^(a) + [iwr^(_) + D_ak² - n_i]N_e^(a) = 0

Позначимо x--= QkT^(0)n-1(n+E_a/R/T⁽⁰⁾)exp(-E_a/R/T⁽⁰⁾).

Вийшла система лінійних рівнянь відносно r^(a), v^(a), T^(a), N_e^(a) (АХ=0). Для того, щоб ця система мала нетривіальне рішення необхідно, щоб її визначник звертався в нуль, що дає дисперсійне рівняння w(k). Ця система 4-х рівнянь. Скориставшись правилами обчислення визначників і припускаючи, що , одержимо

A(iw)³--+--B(iw)^2--+--З(iw)--+--D = 0, (3)

де

A = r^(_)--2c(D_ak² - n_i)

B = (l²k²-----x)(D_ak² - n_i) - r^(_)gxe²E²/m_e/n_m

C = r^(_)c(D_ak² - n_i)k²r^(_)RT⁽⁰⁾/m

D = (l²k²-----x)(D_ak² - n_i)k²r^(_)RT⁽⁰⁾/m-----k²r^(_)RT⁽⁰⁾/m*gxe²E²/m_e/n_m.

Це лінійне алгебраїчне рівняння 3-го порядки, для рішення якого скористаємося відомим рішенням Кардано. Ділячи (3) на А и вводячи нову змінну W = iw + B/3/A одержимо

W³--+--3pW--+--2q = 0 (4)

де , .

Позначимо через , . Тоді рішення (4) запишеться у вигляді

,

W = U + W. (5)

Звідси видно, що перші дві моди є акустичними, а третя мода відповідає розвитку перегревно-іонізаційної нестійкості. Причому для випадку джерела харчування з нескінченним імпедансом акустичні моди загасають, у той час як третя мода наростає. І, навпаки, для імпедансу джерела харчування прагнучого до нуля перші дві моди наростають, а третя мода загасає. Таким чином, розряд при роботі джерела в другому режимі є дифузійним і стійким стосовно зовнішніх збурювань. Аналіз наведених формул рішення (5) у виді їхньої громіздкості проводився на ЕОМ (див. мал. 32). Причому можна бачити, що абсолютна величина інкремента зростає зі зменшенням довжини хвилі й збільшенні струму або напруги.

2. Аналіз і обговорення експериментальних даних

У ході експериментів були отримані: 1) пряма фотографія процесу переходу дифузійного електричного розряду в контрагирований стан (див. мал. 14); 2) визначені граничні струми шнурування розряду для пропано-повітряної суміші; 3) інтерференційні знімки системи «полум'я+розряд» у пропано-повітряної суміші; 4) фотографії системи «полум'я+розряд» у пропано-кисневої суміші.

2.1 Вивчення впливу електричного розряду на зону горіння вуглеводних палив

У результаті обробки експериментальних даних були побудовані графіки залежності граничного струму шнурування від сполуки суміші (мал. 15), а також безрозмірної висоти полум'я (див. мал. 16) і нормальної швидкості горіння (мал. 17) від струму розряду при різних концентраціях пропану.

Графік залежності відносного значення нормальної швидкості горіння від струму розряду представлений на мал. 17. З нього видно, що збільшення нормальної швидкості горіння відбувається тільки до певних значень струму розряду, тобто спостерігається насичення по струму.

У роботі також був досліджений вплив струму розряду на висоту полум'я. Отримано графіка залежності відносного значення висоти полум'я від струму розряду, що представлений на мал. 16. Із графіка видно, що зменшення висоти полум'я відбувається тільки до певних значень струму розряду, тобто також спостерігається насичення по струму. Отримані графічні залежності свідчать про те, що режим насичення наступає раніше в багатих сумішах (при I=17 мА), потім у бідних сумішах (при I=25 мА).

У роботі також визначалися граничні значення струмів шнурування дифузійного розряду залежно від сполуки суміші. За експериментальним даними побудований графік залежності граничного значення струму переходу тліючого розряду в дуговий від сполуки суміші (див мал.15). Із графіка видно, що струм шнурування сумішей дорівнює приблизно 25 мА, у бідних - 19 мА, а в багатих - 17 мА. Отже, зі збільшенням змісту пропану в суміші шнурування відбувається при менших значеннях струму

Залежність граничного значення струму переходу дифузійного розряду в дуговий від сполуки пропано-бутано-повітряної суміші.

Залежність відносного значення висоти полум'я від струму розряду для різних сполук горючої суміші.1-3,55% З₃Н₈; 2-4,1% З₃Н₈; 3-5,3% З₃Н₈; 4-6,5% З₃Н₈.

Залежність відносного значення нормальної швидкості горіння від сили струму розряду. 1- 3,55% З₃Н₈; 2 -4,1% З₃Н₈;3 -5,3% З₃Н₈; 4 -6,5%З₃Н₈.

Для пропано-кисневої суміші побудовані графіки залежностей безрозмірної відносної висоти (див. мал. 18) і площі поверхні (див. мал. 19) полум'я від струму (щільності струму) розряду. Усе графіки побудовані в GRAPHER.

2.2 Розрахунок поля показника переломлення по інтреферограмам системи “полум'я+розряд”

По отриманим интерферограмам були розраховані поля зміни показника переломлення, побудовані топограми (див. мал. 20-30) для різних витрат і струмів розряду. Для цих цілей була написана комп'ютерна програма (див. додаток 1). Інтерферограми знімалися на відеокамеру, після чого вводилися в комп'ютер і оброблялися програмним продуктом ASYMETRICS DIGITAL VIDEO PRODUSER CAPTURE у графічний файл формату bmp. Потім оброблялися й оптимізувалися пакетом FOTOFINISH. Топограми будувалися за допомогою програми SURFER.

Суміш ІЗ₃Н₈ + повітря: витрата З₃Н₈ - 2 див³/сек; повітря - 28 див³/сек. Без розряду

Суміш ІЗ₃Н₈ + повітря: витрата З₃Н₈ - 2 див³/сек; повітря - 28 див³/сек. Розряд 5 mA.

Суміш ІЗ₃Н₈ + повітря: витрата З₃Н₈ - 3.8 див³/сек; повітря - 62 див³/сек. Без розряду

Суміш ІЗ₃Н₈ + повітря: витрата З₃Н₈ - 3.8 див³/сек; повітря - 62 див³/сек. Розряд 10 mA.

Суміш ІЗ₃Н₈ + повітря: витрата З₃Н₈ - 1.3 див³/сек; повітря - 28 див³/сек. Без розряду.

Суміш ІЗ₃Н₈ + повітря: витрата З₃Н₈ - 1.3 див³/сек; повітря - 28 див³/сек. Розряд 5 mA.

Суміш ІЗ₃Н₈ + повітря: витрата З₃Н₈ - 3.2 див³/сек; повітря - 62 див³/сек. Без розряду.

Суміш ІЗ₃Н₈ + повітря: витрата З₃Н₈ - 3.2 див³/сек; повітря - 62 див³/сек. Розряд 10 mA.

Суміш ІЗ₃Н₈ + повітря: витрата З₃Н₈ - 3.2 див³/сек; повітря - 62 див³/сек. Розряд 30 mA.

Суміш ІЗ₃Н₈ + повітря: витрата З₃Н₈ - 2.7 див³/сек; повітря - 62 див³/сек. Без розряду.

Суміш ІЗ₃Н₈ + повітря: витрата З₃Н₈ - 2.7 див³/сек; повітря - 62 див³/сек. Розряд 30 mA.

На малюнку представлена серія фотографій, отриманих методом подвійної експозиції щодо палаючого полум'я. Із цих знімків видно, що під час відсутності розряду поверхня полум'я не видна. У випадку накладення розряду на полум'я його поверхня відразу стає видимою. Це пояснюється тим, що струм розряду йде по поверхні полум'я й, отже, температура полум'я підвищується, у результаті чого змінюється показник переломлення.

Для пропано-кисневої суміші була зроблена спроба визначити струм шнурування, але безуспішно. Для цього потрібно могутніше джерело харчування. Якщо струм шнурування для пропано-повітряної суміші становив ~ 25 mA, то для пропано-кисневої суміші він на порядок вище. За отриманим даними побудовані графіки залежності безрозмірної висоти полум'я (мал. 32) і нормальної швидкості горіння (мал. 33) від струму (щільності струму) розряду.

З порівняння результатів по повітрю й кисню видно, що щільність струму для пропано-кисневої суміші на порядок більше.

3. Експериментальна установка й методика дослідження

Експерименти проводилися з попередньо перемішаними пропаноповітряними й пропанокисневими сумішами на мідному пальнику діаметром 0,6 див. Електричний розряд запалювався між пальником і вольфрамовим електродом, поміщеним на вершині конуса полум'я (див. мал.11). Неодружена вихідна напруга джерела рівнялося 5 кВ. Значення токовища розряду підтримувалося на заданому рівні, а напруга мінялася в межах 2 - 2,5 кВ.

3

Розряд створювався спеціальним джерелом харчування, що дозволяє підтримувати на заданому рівні змінну й постійну джоулевої енергії в діапазоні частот від 30 до 10000 Гц. У випадку циліндричної симетрії електроди розташовувалися на вершині конуса полум'я й у підставі пальника в зоні горіння. Для визначення токовища шнурування значення сили токовища досягало 50 mA.

У ході експериментів реєструвалися токовище розряду I і напруга U. Також проводилася зйомка самого полум'я з розрядом для різних витрат пропаноповітряної суміші методами голографичної інтерферометрії (див. мал.12): 1) методом реального часу й 2) методом подвійної експозиції щодо полум'я. Для пропаноповітряних сумішей були пророблені попередні експерименти на тій же установці (див. мал. 33).

Експеримент проводився в такий спосіб: спочатку інтерферометр, після продувки каналів повітрям, установлювався на «0». У змішувач подавалося повітря (кисень) і пропан, які змішувалися в ньому. За допомогою інтерферометра Релея підбирався склад. Далі суміш подавалася на пальник.

Зміна залежності висоти полум'я від токовища розряду записувалося за допомогою катетометра. Сила токовища контролювалася за допомогою тестера.

Обчислення зміни нормальної швидкості горіння в залежності від токовища розряду вироблялося з фотографічних знімків і відео зображень. Знімки проводилися з досить близької відстані. По інтерферограмах розраховувалися розподіли показника переломлення середовища по радіусі в різних розтинах для різних витрат і складів горючої суміші.

Для обробки отриманих відео зображень на комп'ютері була зібрана наступна установка, зображена на мал. 13.

Для розрахунку полів показника переломлення по інтерферограмах була написана комп'ютерна програма. За основу був узятий метод Шардина, але на відміну від його розтин розбивався на стільки зон, скільки було крапок у розтині. Інтерполювалася не сама фаза, а обчислена зміна показника переломлення. При екстраполяції Dn приймався рівним нулю.

Схема установки для запису інтерферограф

Висновки

Експериментально визначені граничні значення токовища переходу дифузійного розряду в дуговий у зоні горіння пропано-бутано-повітряної й кисневої сумішей різного складу.

Отримано залежності нормальної швидкості горіння від величини токовища розряду й складу горючої суміші. Показано, що збільшення нормальної швидкості горіння лімітується граничним значенням токовища шнурування.

Отримано й розраховані голографічні інтерферографи, які пояснюють вплив електричних розрядів на зону горіння.

Проведено теоретичну оцінку граничних токовищ шнурування з урахуванням хімічних реакцій.

Література

Kinbara T., Nakamura I. 5 th Syposium (Int.) on Combustion, William and Wilkins, Baltimore, 1962, p. 285.

Poncelet J., Berendson R. and Tiggelen A. 7 th Symposium (Int.) on Combustion, Butterworths, London, 1959, p. 26.

Стабілізація полум'я й розвиток процесу згоряння в турбулентному потоці, сб. статей під ред. Горбунова Г. - К, 1961.

Calcote H.F., King I.R. 5 th Symposium (Int.) on Combustion, N. J., 1955, p. 423.

Karlovits, B., Pure Appl. Chem. 5, 557 (1962).

Lawton, J., Payne, K. G., Weinberg, F. J., Nature 193, 746 (1962).

Кринберг И.А., ЖТФ 34, 888 (1964).

Голубовский Ю.Б., Зинченко А.К., Каган Ю.М., - ЖТФ, 1977, т. 47, с. 1478.

Іонізація в полум'ї й електричне поле. Степанов Е. М., Дъячков Б. Г. К., 1998, с.

Калькотт Г. Процеси утворення іонів у полум'ї , ВРТ, 1998, №4(44), стор. 78.

Семенов Н.Н. Про деякі проблеми хімічної кінетики й реакційно здатності. - К., 1958.

Соколик А.С., Скалов Б.С. ЖФХ, 1934, №5, стр. 617.

Електрична інтенсифікація полум'я природного газу. Пер. с англ. статті К.В. Мариновского й ін., поміщеної в журналі «Industrial and Engineering Chemistry. Process Design and Development», 1967, р. 16, №3, p. 375-379.

Райзер Ю.П. Фізика газового розряду: Учеб. керівництво. - К., 1987