Пламя — явление, вызванное свечением раскалённой газообразной среды, в ряде случаев содержащей плазму и/или диспергированные твёрдые вещества, в которой происходят физико-химические превращения реагентов, приводящие к свечению, тепловыделению и саморазогреву [2].
Рис.1 – Ионная структура пламени
В плазме пламени, в результате химической реакции, концентрация заряженных частиц составляет 1012 ионов/см3. Положительно и отрицательно заряженные частицы содержатся приблизительно в равном количестве. Распределение их по пламени не является однородным. Положительно заряженные частицы расположены по краю пламени, отрицательные в середине. Квазинейтральность и высокая энергоёмкость процесса с неравномерным распределением зарядов указывает на потенциальную перспективу воздействия электрического поля.
Научный подход, в вопросе взаимодействия двух энергий различной природы и воздействие электрического поля на процесс горения исследовали A.Ф. Гаранин, П.К. Третьяков, А.В. Тупикин, Н.А. Исаев, Г.С. Столяренко, В.Н. Вязовик, О.В. Водяник, Ю.Д. Марцинишин и др. В 60-х годах прошлого века, рассматривались три вида воздействия электрической энергии на пламя[1]:
• Переход энергии электрического поля в тепловую – пламя с электрической точки зрения представляет собой сопротивление, при продольном прохождение через него электрического тока выделяется теплота. При некоторых наложениях ожидается уменьшение поверхности горения при увеличении силы тока вплоть до дугового разряда.
• Прямое воздействие электрического поля на процесс горения – в пламени, при воздействии электрического поля, увеличивается энергия электронов, и создаются новые активные центры в виде свободных частиц, а также возрастает скорость горения смеси и происходит расширение пределов устойчивости за счет увеличения критической скорости срыва.
• Ионный ветер – перемещение положительных электронов в пламени к отрицательному электроду, что влияет на геометрические размеры.
Эти данные были проверены наложением электрического поля на простую горелку с постоянным расходом пламени. Исследования проводились для определения преобладающего механизма воздействия электрического поля на пламя, и подтверждения теоретических основ воздействия на практическом результате. В проанализированной литературе не приведены конкретные условия, при которых производились замеры. Отсутствуют расход газа через горелку, детальные характеристики накладываемого электрического поля, точный состав сгорающей смеси. Полученные результаты исследований, подтверждающие теоретические данные, приведены в таблице 1.
Таблица.1
Воздействие электрического поля на пламя[1]
|
|
Варианты схем наложения электрических полей и заряда и характеристики распространения пламени |
|||||||
|
механизм влияния электрического поля и заряда на распространение пламени
|
|
|
|
|
||||
|
|
скорость горения горючей смеси |
пределы устойчивос |
скорость горения горючей смеси |
пределы устойчивос |
скорость горения горючей смеси |
пределы устойчивос |
скорость горения горючей смеси |
пределы устойчивос |
|
ионный ветер |
+ |
+ |
- |
- |
+ |
+ |
- |
- |
|
превращение энергии поля в тепловую |
+ |
+ |
+ |
+ |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
прямое воздействие поля, поля и заряда на кинетику процесса горения через неупругие соударения с электронами |
0 |
0 |
+ |
+ |
0 |
0 |
+ |
+ |
|
условные обозначения: |
+ увеличивает («расширяет»); - уменьшает («сужает»); 0 – не изменяет |
|||||||
Данные результаты частично подтверждены в современных исследованиях. Эксперименты, проведенные авторами работ [5,6] подтвердили свойства пламени как плазмы.
Были определены квазинейтральность, амбиполярная диффузия и экранировка от внешних электрических полей. Авторами подтверждено положение о том, что ионный ветер является преобладающим механизмом воздействия электромагнитной энергии на пламя.
В работе [3] исследовалась на современных приборах пропано-воздушная горелка, на которой определялось воздействие постоянного и импульсно-переодического электрического поля на пламя с длинна импульса 4мс при частоте выше 150 Гц.
Большое внимание уделялось характеристикам потока пропано-воздушной смеси. Были изучены основные характеристики при воздействии на ламинарное и турбулентное движение потока. Условия движения потока определялись по критериям Рейнольдса, соответствующим значению 650 при ламинарном движении и 2500 при турбулентном. Результаты исследований подтверждают высокую эффективность воздействия электрического поля на пламя и на скорость его распространения (рис.2). Авторам [3] удалось повысить скорость сгорания пламени на 30%, а также получить самую высокую эффективность воздействия на пламя при импульсном электрическом поле, которая на 10% больше чем при постоянном.
Мы предполагаем, что наиболее эффективный результат будет достигнут при наложении переменного электрического поля высокой напряжённости ( от 7 до 25 кВ), поперечно фронту распространения пламени.
Рис.2 – Влияние ЭП на ламинарное и турбулентное
горение пропана [3]
Источников по исследованию данной темы намного больше, чем рассмотрено в этой статье. Существуют и теоретические аспекты взаимодействия двух энергий. В работе [6] приводятся результаты, подтверждающие достижение экономического эффекта при воздействии электрического поля на сжигание угля и других твёрдых топлив. В проанализированных источниках нами не обнаружены детальные количественно-качественные результаты использования данного воздействия на эксплуатируемые промышленные установки и газоиспользующее оборудование. В соответствии с 261 Федеральным законом [7] необходима ещё большая экономия топливных ресурсов. При внедрении опыта, полученного на экспериментальных установках с сохранением эффективности воздействия в работающих котельных, можно выполнить требования ФЗ 261 [7], не прибегая к дорогостоящим капитальным реконструкциям котельных установок с заменой всех исправных, но устаревших котлов, на более современные теплогенераторы со всем вспомогательным оборудованием.