Влияние пристеночной области на содержание СО в релаксирующем потоке продуктов сгорания тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК • ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР . НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ТЕПЛОФИЗИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

: , ОД.

На правах рукописи

ii и МДР 1933 .

ЗОБНИН АНДРЕЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

УДК 533.924; 533.9.082.5

ВЛИЯНИЕ ПРИСТЕНОЧНОЙ ОБЛАСТИ НА СОДЕРЖАНИЕ СО В РЕЛАКСИРУЮЩЕМ ПОТОКЕ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

01.04.08 -Физика и химия плазмы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученеой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1998

Работа выполнена в отделе физики низкотемпературной плазмы НИЦ теплофизики импульсных воздействий Объединённого института высоких температур РАН

Научные руководители:

доктор технических наук, профессор Нефедов А.П.

кандидат физико-математических наук, старший наукный сотрудник Синелыциков В.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Ерёмин A.B.

кандидат физико-математических наук Цхай С.Н.

Ведущая организация:

Троицкий институт инновационных и термоядерных исследований.

/О

Защита состоится Чд" ли 1998 г. в /с/ на заседании

Специализированного ученого Совета К 002.53.01 при Объединённом институте высоких температур РАН (127412, Москва, ул. Ижорская ] 3/19, ОИВТ РАН)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИВТ РАН Автореферат разослан " ией-^^с^.1998 г.

Учёный секретарь Специализированного совета, к.ф.-м.н.

А.Т. Кунавин

й Объединенный институт высоких температур РАН, 1998 г.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы исследования. Практически во всех устройствах предназначенных как для сжигания газообразных углеводородных тошшв, так и для утилизации выделяющегося при этом тепла, имеет место контакт горячего потока продуктов сгорания (Т«2ГОО К) с относительно холодной поверхностью (Т„<12()0 К) За счет температурного, а следовательно, и концентрационного градиентов возникает конвективно-диффузионный перепое компонент смеси в направлении нормали к поверхности. Уменыг^ше температуры по направлению к поверхности приводит также к сун'.ес! вечному изменению констант скоростей химических реакций. В pesy.ii/nuc г, пристеночной области может происходить замораживание ряда химических реакций и, как следствие, увеличение концентраций определенных, в частности, вредных (например СО) компонент а продуктах сгорания, выбрасываемых в атмосферу. В связи с эшм весьма важным представляется выяснение вопроса о влиянии пристеночной области па замораживание реакций окисления СО а па конечное "содержание окиси углерода в холодных продуктах сгорания.

Цель диссертационной работы: выбор и реализация методик для комплексной диагностики параметров пограничного слоя, возникающего при обтекании потоком продуктов сгорания плоской пластины; проведение исследований влияния пристеночной облает на процессы релаксации концентрации СО; проверка имеющихся теоретических моделей химически-неравновесного пограничного слоя и релаксации СО в каналах.

Научная новизна работы состоит в следующем.

-Проведены комплексные экспериментальные исследования пограничного слоя, формируемого горячим потоком продуктов сгорания на плоской металлической поверхности. При этом были измерены пространственные распределения скорости, температуры и концентраций ОН и СО.

-Экспериментально исследовано влияние начального состава продуктов сгорания, температурь; стенок и диаметра канала на содержание СО при ламинарном течении продуктов сгорания.

-Проведена экспериментальная проверка применимости модели химически-неравновесного пограничного слоя [1-5] для расчета профилей концентраций й интегрального содержания СО в релаксирующем потоке продуктов сгорания.

-Выявлено и исследовано влияние фотодиссоциации углекислого газа на результаты измерений концентрации СО методом лазерной флуоресценции.

Научная и практическая ценность состоит в том, что полученные результаты расширяют представления о процессах в пристеночных областях низкотемпературной плазмы продуктов сгорания и могут быть использованы для совершенствования теоретических моделей релаксации состава продуктов сгорания. Они могут быть использованы для оптимизации процессов сжигания углеводородных топлив с точка зрения уменьшения выбросов СО. Кроме того, полученные данные позволяют учитывать влияние фотохимических процессов при флуоресцентном методе диагностики СО в присутствии значительных концентраций колебательно-возбужденных молекул СОг.

Научные положения, выносимые щ защиту.

1. Система комплексных измерений пространственных распределении параметров потока продуктов сгорания в пограничном слое.

2. Методика лазерного флуоресцентного определения концентраций СО в непзотермическом случае при наличии колебательно. возбужденного СО2.

3. Результаты измерений параметров пограничного слоя, включая профили концентраций ОН и СО .

4. Результаты экспериментальных исследований релаксации СО в цилиндрических каналах.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы были представлены на: конференции "Физика низкотемпературной плазмы" (Петрозаводск, 1995г.); III Минском международном форуме по тепло-массооомену (Минск, 1996г.); конференции "Физика плазмы и плазменные технологии" (Минск, 1997г.); 34-ом Симпозиуме по инженерным аспектам магнитной гидродинамики (Университет Миссисснппп, США, '1997г.).'

Публикация. Основные результаты диссертации опубликованы в 4 печатных работах:

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 102 наименовании. Содержание работы изложено на 123 страницах, включая 41 -чеунок. Содержание диссертации. Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель диссертационной работы, кратко изложены

результаты, характеризующие новизну работы. Сформулированы основные результаты, выносимые'на защиту.

Глава 1 носит обзорный характер.

В 51л1 приводится обзор литературы по теоретическому и экспериментальному исследованию кинетики окисления СО в продуктах сгорания, а также процессов, способных оказывать влияние на релаксацию СО в высокотемпературном потоке, взаимодействующем с охлаждаемой поверхностью.

И приведен обзор методов измерения локальных концентраций мог/оксида углерода, применяющихся для исследования пламён. На основании проведенного анализа выбран метод лазерно-индуцированной флуоресценции ( ЛИФ) с двухфотонным возбуждением на длнне волны 230.1 нм и регистрацией флуоресценции в полосах Ангстрема.

В 51-3 приведён обзор литературы по влиянию фотохимических эффектов на результаты лазерно-флуоресцентных измерений в пламёнах.

Глава 2 посвящена описанию экспериментального стенда и методик измерений скорости, температуры и концентраций гидроксила и моноксида углерода в пограничном слое потока продуктов сгорания, формирующегося на плоской стальной пластине.

В §2.! приведены режимы работы горелки Меккера [б], при ■ которых проводились измерения, основные параметры потока продуктов сгорания, а также конструкция пластин, на которых происходило формирование скоростного, температурного и концентрационного ' пограничных слоев и геометрия экспериментов. Форма и расположение ¡шастин в потоке продуктов сгорания -приведены на рис. 1.

ось

ПОТОКА

ПОТОК ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ

ПЛАСТИНА

ОПТИЧЕСКАЯ ОСЬ

^=10(30)

н=зо

ДЛЯ ОХЛАЖДАЕМОЙ ПЛАСТИНЫ

э для

НЕОХЛАЖДАНМОП ПЛАСТИНЫ

ПЕРЕМЕЩЕНИЕ ПЛАСТИНЫ

Х'ЛУЛЩ'ЛУЛИМ

I ГОРЕЛКА ]

Рис.1 Расположение пластин в потоке продуктов сгорания и их размеры.

Горелка имела два факела - внутренний (диаметром 20 мм) и наружный (диаметром 50 мм) - с независимым подводом топлииа и окислителя в каждый факел. Она обеспечивала стабильное горение смеси пропана с воздухом при значениях коэффициента избытка окислителя а<1.2 при скорости продуктов сгорания б м/с и при скорости 2м/с.

В Ш2. описаны методы измерения скорости, температуры, концентраций гидроксила и моноксида углерода, а также их аппаратурная реализация. ■

Ё $2.2.1 описан метод лазерной доплеровскон анемометрии, использованный для измерения профилен скорости. Использовалась схема' с двойным (или дифференциальным) рассеянием, обработка сигнала рассеяния проводилась методом корреляции фотонов. Во время

измерений скорости во внутренний факел вводили«, частицы окиси магния размером <! мкм. Пространственное разрешение составляло 0.2 мм, погрешность не превышала 3%.

В §2.2.2 описай способ измерения температуры. Использовался обобщенный метод обращения спектральных линий. Измерения проводились по линии Сб на длине волны 852 нм. Присадка вводилась во внутренний факел горелки. Луч зрения был направлен параллельно плоскости пластины. Благодаря малому коэффициенту диффузии цезия присадка оставалась в центральной части потока и не выходила за боковые границы пластины. Это обеспечивало постоянство температуры вдоль луча зрения в области, содержащей присадку. Относительно низкая энергия возбуждения - атома цезия позволяла измерять температуры начиная с 1400 К. Пространственное разрешение поперек погранично го слоя составляло'0.2 мм, погрешность не превышала +40К. В параграфе также приведены оценки, подтверждающие наличие локального термодинамического равновесия в пограничном слое,.

Н §2.2.3 описан способ измерения концентрации гидроксила, использованный в данной работе. Измерения концентраций гидроксила проводилось по поглощению лазерного излучения в линии (Зи(б) перехода А(*Е)-Х(2П)(0,0) на длине волны 308.7 нм. Зондирующее излучение имело квазинепрерывный спектр в спектральном интервале около 0.1 им. Ширина линии поглощения гидроксила составляла около 0.006 нм. Спектр прошедшего через поток продуктов сгорания излучения регистрировался с помощью спектрометра, построенного на базе монохроматор МДР-23 и фотодиодной линейки. Путем обработки зарегистрированного спектра определялась величина полного поглощения и рассчитывалась концентрация гидроксила. Контроль за распределением гидроксила вдоль луча лазера производился с помощью

ь

лазерно-индуцированной флуоресценции на смещенной длине волны (регистрировалось излучение на переходе А(2£)-Х(ЛП)(0,1)). Пространственное разрешение в направлении поперек- пограничного слоя составляло 0.3 мм, погрешность измерений абсолютных концентраций не превышала 15%.

В $2.2.4 описан метод измерения концентраций СО. Использовался метод ЛИФ с двухфотоннъш возбуждением состояния СО В('Е+) на длине волны 230.1 им. Флуоресценция регистрировалась на переходах В(,£+)-А(,П) в спектральном интервале 430-600 им с помощью фотоэлектронного умножителя ФЭУ-87. Параметры зондирующего излучения были следующими: энергия в импульсе - до 1.6 мДж (для большинства измерений от 0.6 мДж до 1.0 мДж), длительность импульса - около 5 ис, спектральная ширина 0.02 им (на полувысоте), диаметр перетяжки луча - около 0.07 мм.

Для измерений абсолютных концентраций проводилась калибровка по эталонной смссн СО с азотом при комнатной температуре. Использование достаточно большой плотности мощности зондирующего излучения ( порядка 10ч Вт/см2) позволяло пренебрегать тушением состояния В(!£+) по сравнению с фотоношпацией. Эго давало возможность использовать калибровку, проведённую при комнатной температуре, при измерениях в горячих продуктах сгорания. В параграфе приведены некоторые результаты предварительного тестирования .методики. Показано, что спектр возбуждения флуоресценции совпадает с рассчитанным спектром двухфотонного поглощения, а интенсивность фонового сигнала не превышает 12% от сигнала флуоресценции СО. Определена зависимость , сигнала флуоресценции от энергии возбуждающего импульса как для случая калибровочной смеси, так и в

условиях пламени. При энергиях >0.3 мДж зависимость была близка к линейной во всех случаях.

Пространственное разрешение измерений концентрации СО составляло около 0.1 мм, погрешность измерений была порядка 1.0%.

В главе 3 изложены результаты экспериментальных исследования влияния фотодиссоциации присутствующего в исследуемой среде углекислого газа под действием зондирующего излучения на результаты измерений СО.

В §3.) приводятся данные, указывающие на возможное завышение концентраций СО, измеряемых методом ЛИФ в продуктах сгорания, приводится также краткий обзор Литературы по поглощению горячего СО; в УФ области спектра и по исследованиям фотолиза колебательно-возбужденного СОг.

Л §12. описаны эксперименты, подтверждающие образование дополнительных концентраций СО в нагретых смесях, содержащих СОз, в процессе измерения содержания СО методом ЛИФ. Смеси углекислого газа ( не содержавшего СО ) с кислородом пропускались через подогреваемую керамическую трубку. На выходе из трубки проводились измерения СО методом ЛИФ. В случае холодной трубки сигнал флуоресценции не наблюдался. При нагреве трубку до 1350 К • измеренная концентрация СО оказалась на уровне 0.17% от. концентрации СОг, как для смеси содержащей 90% СО2, так и для смеси, содержавшей 50% С02. Эта концентрация на несколько порядков превышает равновесную концентрацию СО, которая могла бы : образоваться вследствие термической диссоциации СОг прк данной температуре. Указанные эксперименты являются прямым свидс гельсшом наличия фотодиссоциации нагретого СО^ под действием

излучения на длине волны 230.1 им и показывают сильное влияние температуры на процесс фотодиссоциации.

В $3.3 описываются эксперименты но исследованию зависимости образующейся в результате фотолиза ССЬ дополнительной концентрации СО от температуры и приводятся результаты этих исследований. Измерения проводились в потоке продуктов сгорания в условиях, ког да невозмущенная концентрация СО в свободном потоке близка к равновесной и на порядок меньше той, которая образуется в результате фотолиза СО2 (скорость 2 м/с, а-! .25, Т=1950К, высота над срезо.м горелки 25 мм). Определение температурной зависимости фотодиссоциации проводилось путем сопоставления измеренных профилей концентрации СО и температуры в пограничном слое на охлаждаемой пластине. Зависимость отношения концентрации СО к СО: в координатах Аррениуса показана на рис. 2. Найдено, что дополнительная концентрация СО может быть определена по формуле: прсо=3.3 !Ц -ехр(-9400 / Т). (!)

(Т - температура в К, Пго - концентрация СО2.)

Полученная зависимость позволяет проводить коррекцию измеренных методом ЛИФ концентраций СО. С учетом коррекции на фотолиз, погрешность измерений концентраций СО в наших экспериментах не превышала 15% при а=1.0 и 30% при а=1.2.

В главе 4 излагаются результаты измерений скорости, температуры и концентраций ОН и СО в свободном потоке продуктов с. ^рания и в пограничном слое на плоской пластине.

104/Т.1/К

Рис. 2 Зависимость концентрации СО, образующегося в результате

фотолиза C'Oj, от температуры.

В ILL приведены результаты исследований распределений параметров в свободном потоке. Подучены распределения параметров, как по радиусу, так и высоте над срезом горелки. Скорости потока продуктов сгорания составляли 6.0 и 5.4 м/с при а=1.0 и а=1.2 соответственно, уровень турбулентности не превышал 15%. Температура > продуктов сгорания была близка к адиабатической и составляла 2250 К • (при а-1.0) н 2090 К (при «=1.2). Зависимости концентраций ОН и СО от высоты над срезом горелки приведены на рис. 3. Показано, что на высоте (1=40 мм, соответствующей положению передней кромки пластины, состав продуктов сгорания близок к равновесному, а радиальные распределения явля'отся достаточно однородными в центральной части потока. Эти данные позволили корректно задавать условия в набегающем потоке при сопоставлении результатов численного моделирования пограничного слоя с экспериментальными данными.

14

„ 12

'з 10

w 8

Ъ

6

I 4

2

0

14

„ 1?

10

8

о

6

ж 4

2

0

to 20 30 АО ВО 60 70 И, мм

10-

о о

3 х

о

j¿

6 -4 • 21 0-

* * а = 1.2

0 10 20 30 40 50 60 70 Н, ч

б

а » 1 00

Рис. 3 Зависимость концентрация Olí (а) и СО (б) СЕободпом тпокс как функция высоты над срезом горелки. Сплошными линиям показаны равновесные концентрации, соотетстпующие измеренным температурам, точечные линии показывают коршир равновесных концентраций, соответствующий изменению температуры на +40К.

В §4.2 приведены результгны измерении распределений параметров в пограничном слое. Измерены распределения скорости и температуры в трех сечениях (4, 10 и 30 мм от передней кромки пластины) и концентраций ОН н СО в двух сечениях (10 и 30 мм от передней кромки) пограничного слоя на охлаждаемой (с температурой поверхности 400 К) и нсохлаждаемой (с температурой поверхности 1100 К) пластинах при стехномстричсском режиме горения и при избытке окислителя. Проведено сопоставление экспериментальных результатов с результатами численного расчета по модели химически-неравновесного пограничного слоя [1,2], Типичные профили концентрации ОН к СО приведены на рис. 4. В пограничном слое, во всех исследованных случаях, наблюдалось значительное превышение концентраций как ОН, так и СО над их равновесными значениями. Концентрация ОН при приближении к поверхности пластины стремилась к 0 (се профиль мало чувствителен к каталитическим свойствам поверхности). Концентрация СО при приближении к поверхности пластины либо резко возрастала (в случае охлаждаемой пластины), либо выходила на конечное значение. Такое поведение соответствовало некаталитичсской для реакций с участием СО поверхности. Из полученных результатов видно, что профили концентрации СО в пограничном слое весьма чувствительны к коэффициенту избытка окислителя и температуре поверхности. Переход от а=1.0 к а=1.2 и от охлаждаемой пластины к нсохлаждаемой приводил к уменьшению как абсолютных, так и относительных концентраций СО в пограничном слое. Показано, что профили ОН и СО хорошо согласуются с результатами расчетов по модели [1,2]. Это позволяет сделать вывод, что указанная модель адекватно описывает процесс релаксации СО в ирис) сночпой области потока продуктов сгорания.

а б

в г

Рис. 4 Профили концентраций ОН (а,б) и СО (в,г), нормированные на концентрацию а свободном потоке, в сечениях пограничного слоя: на расстоянии 10 мм (закрашенные кружочки) и 30 мм (не закрашенные прямоугольники) от кромки пластины. Линии: сплошные - расчет но модели [1,2], точечные - равновесные концентрации. Охлаждаемая пластина. Коэффициент избытка окислителя а=1.0 (а, в) и а=1.2 (б, г).

В главе 5 описала схема экспериментов и представлены результаты исследований релаксации СО в продуктах сгорания, проходящих через каналы цилиндрического сечения.

В $5.1 огп'сана схема измерений, указаны режимы работы горелки и скорости прокачки продуктов сгорания. В ходе экспериментов горячие продукты сгорания прокачивались через ' охлаждаемые или неохлаждаемыс металлические трубки различного диаметра (1.6 , 4 и 6 мм в случае охлаждаемых трубок и 3 и 8 мм в случае неохлаждаемых трубок), и па выходе измерялась замороженная концентрация СО. Измерения'проводились для стехнометрического и обедненных пламён с коэффициентом избытка окислителя от 1.0 до 1.2. Температура поверхности охлаждаемых трубок была около 400 К, а температура неохлаждаемых трубок менялась вдоль трубки от 1300 К до 300 К. Измерения содержания СО проводились с помощью анализатора ГИАМ-15М после осушки газа и удаления СОг.

В $5.2 изложены результаты измерений и проведено их сопоставление с расчетами по численной модели, описывающей релаксацию продуктов сгорания в каналах цилиндрического сечения [35]. Зависимости концентрации СО, измеренной па выходе из каналов различного диаметра, от величины коэффициента избытка окислителя приведены на рис. 5. Показано, что увеличение диаметра канала, а также повышение температуры стенок приводит к существенному уменьшению содержания СО на его выходе. Установлено, что содержание СО на выходе из канала очень чувствительно к изменению коэффициента избытка окислителя а в исходной смеси, причем в наибольшей степени это влияние наблюдается для значений а £ 1.05. В целом экспериментальные результаты подтверждают правильность численной модели [3-5].

Iii

1 оооо

Е~Г

г~>. «ооо

(3=].6 ММ

I -ОО 1 .О» Т - 1 о

.та 1 .зо 1.2а

О.ЗЭгЗ 1.00 1 .ОД 1 . 1 О 1.Т» 1.20 1.23

б

Рис. 5 Мольные доли СО в продуктах сгорания на выходе из охлаждаемых (а-в) и неохл- чдаемого (г) канатов различного диаметра в зависимости от а. Точки - эксперимент. Кривые -расчет по модели [3-5].

а

В заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Показано, что при использовании метода двухфотонной лазерной флуоресценции на длине волны 230.08 нм для измерения профилей концентрации СО в присутствии колебательно возбужденных молекул СОг необходимо учитывать образование дополнительного количества СО за счет фотолиза СО2 под действием зондирующего излучения. Эксперименты проводились как в смесях двуокиси углерода с кислородом, так и в потоке продуктов сгорания углеводородных топлив. Обнаружено, что процесс фотолиза С02 находится з насыщении при плотностях мощности излучения >109 Вт/см2. В диапазоне 1300 - 2000 К определена температурная зависимость эффективности фотолиза молекул двуокиси углерода. Полученные данные позволяют корректно обрабатывать результаты использования метода двухфотонной лазерной флуоресценции на длине волны 230.08 нм при измерении концентрации СО в неизотермических высокотемпературных газовых смесях, содержащих молекулы СОа-

2. Проведены комплексные измерения пространственного распределения скорости, температуры, концентраций ОН и СО в ламинарном пограничном слое, формирующемся на плоской пластине, помещенной

. в поток продуктов сгорания. В процессе экспериментов варьировались такие параметры как температура поверхности пластины и состав набегающего потока (за счет изменения коэффициента избытка окислителя). Показано, что концентрации ОН и СО в пограничном слое существенно превышают равновесные значения.

3. Экспериментально показано, что профили концентрации ОН в пограничном слое сравнительно малочувствительны к изменению параметров набегающего потока и условий на поверхности пластины.

хи

В тоже время распределения концентрации СО в пограничном слое существенно изменяются при переходе от стехпометрического режима к режиму с а=1.2, а именно, концентрация СО в приповерхностной области падает сильнее, чем в свободном потоке. Увеличение температуры поверхности приводит к некоторому уменьшению концентрации СО в пограничном слое.

4. Проведены измерения содержания СО в продуктах сгорания на выходе из цилиндрических каналов постоянного Сечения и определен;; зависимость содержания СО от диаметра каната, коэффициента избытка окислителя и температуры стенок канала. Из полученных результатов следует, что снижение содержания СО на выходе происходит при увеличении диаметра канала, увеличении температуры стенок канала, а также при увеличении коэффициента избытка окислителя в исходной смеси, причем в наибольшей степени влияние величины избытка окислителя проявляется в режимах, близга к стехиометрическому.

5. Проведено сопоставле"че результатов экспериментальных исследований с результатами численных расчетов по модели химически неравновесного пограничного слоя, предложенной г [1-5]. Показано, что численная модель хорошо описывает как концентрационные профили в пограничном слое, так и интегральное содержание СО на выходе из каналов во всем диапазоне изменения параметров, варьировавшихся в экспериментах, и мои .г быть рекомендована для проведения расчетов релаксации состава потока продуктов сгорания.

л

Основные результаты опубликованы в работах :

I А.В.Зобшш, А.Н.Коротков, А.Д.Усачев. Диагностика химически неравновесного погранслоя в потоке плазмы продуктов сгорания.// Физика низкотемпературной плазмы. Материалы конференции, т .3 Петрозаводск. 1995г. с. 334-337.

2. Зобшш А.В., Нефедов А.П., Рогов Б.В. н др. Исследование релаксации потока продуктов сгорания в цилиндрических каналах с охлаждаемыми стенками./'/труды ИГ Минского международного форума но тепло-массообмену. Минск. 1996г. с. 177-181.

3 Mokhov А. V., Nefedov А.Р., Rogov B.V., et al. Influence of near wall region on CO content in relaxing flow of combustion products. // 34-th Symposium on Engineering Aspects of Magnetohydrodynamics (proceedings). Mississippi State University. 1997 pp. 5.6.1-5.6.11.

4. Nefedov A.P., Smel'shchikov V.A, Usachev A.D., Zobnin A.V. Peculiarities of CO concentration LIF measurements in the presence of vibrationally excited COiJ! Физика плазмы и плазменные технологии (ФППТ-2). Материалы конференции, т.2. Минск, Беларусь. 1997, с.376-379.

Литература:

1 Бснилов М.С., Роюв Б.В., Соколова.И.А., Тнрский Г.А. Химически неравновесный многокомпонентный пограничный слой плазмы молекулярных газов со щелочной присадкой. // ЖГ1МТФ. N 5, с. 29-40 (1986).

2 Benilov M.S., Pozdeev P.A., Rogov B.V., Sincl'shchikov V.A. Nonequilibriuni boundaiy layer of potassium-seeded combustion products.// Comb. Flame V98, No4, pp. 313-325 (1994).

3 Nefedov A.P., Rogov B.V., Sinel'shchikov V.A. Influence of par.imefcrs of flow in a parallel plate channal on the CO content of the combustion products.// Proc. of the Eighth Syrep. on Transport Phenomena in Combustion (Taylor&Fracis), San Francisco, California 1995, Vol.2, pp. 1819-1828.

4 Нефедов А.П., Рогов Б.В., Синельников B.A. Релаксация CO в поток г продуктов сгорания в канале с холодными стенками. // Доклады Академии Наук, т. 349 №3, с. 318-321 (1996).

5 Нефедов А.П., Рогов Б.В., Сииелыциков В.А. Неравновесность СО при ламинарном течении продуктов сгорания в трубе круглого сечения. И Механика жидкостей и газов 1997г. №1 с. 186-189.

6 Мохов А.В., Нефедов А.П. Создание калиброванного источника низкотемпературной плазмы для диагностических исследований. // ТВТ. т. 25., N5 с. 852-856 (1987).

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР ТЕПЛОФИЗИКИ ИМПУЛЬСНЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

удк 533.924; 533.9.082.5 на правах рукописи

ЗОБНИН Андрей Вячеславович ^ V

Влияние пристеночной области на содержание СО в релаксирующем потоке продуктов сгорания.

Специальность 01.04.08 - физика и химия плазмы

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители доктор техн. наук, проф.

Нефедов А.П. кандидат физ.-мат. наук, ст. н. с.

Синелыциков В.А,

МОСКВА 1997

СОДЕРЖАНИЕ

Введение. 4

Глава 1. Обзор литературы 8

1.1 Процессы, определяющие релаксацию СО в погранслое. 8

1.2 Методы диагностики СО. 12

1.3 Влияние фотохимических процессов на измерения методом ЛИФ. 16

Выводы. 18

Глава 2. Экспериментальная установка. 20

2.1 Формирование модельного потока продуктов сгорания. 20

2.2 Методики измерений. 24

2.2.1 Измерения скорости. 24

2.2.2 Измерения температуры. 27

2.2.3 Измерения концентраций ОН. 32

2.2.4 Измерения концентраций СО. 42 Выводы. 54

Глава 3. Исследование влияния фотолиза СОг на результаты измерений

концентраций СО. 55

3.1 Фотохимическое образование СО в пламени. 55

3.2 Фотохимическое образование СО в нагретых смесях СО2

и 02. 59

3.3 Температурная зависимость фотодиссоциации СО2. 62 Выводы. 67

Глава 4. Исследование релаксации СО в пограничном слое. 69

4.1. Параметры набегающих потоков. 69

4.2. Результаты измерений в погранслое и сравнение их с расчетами. 79

Выводы. 92

Глава 5. Исследование релаксации СО в цилиндрических каналах. 94

5.1 Конструкция трубок и схема измерений. 94

5.2 Результаты и обсуждение. 98 Выводы. 105

Заключение. 106

Литература. 109

Введение

Поиск путей снижения вредных выбросов при сжигании углеводородных топлив является важнейшим направлением развития топливной энергетики. Одним из наиболее ядовитых продуктов сгорания является угарный газ - СО. Он образуется при горении всех видов углеводородных топлив, в том числе и природного газа, являющегося наиболее экологически чистым видом топлива.

Для того, чтобы выбросы СО были не слишком велики, а эффективность использования топлива была максимальной сжигание топлива целесообразно проводить с избытком окислителя (бедные пламена). Использование бедных пламен благоприятно также и с точки зрения снижения выбросов 1ЧОх, так как избыток воздуха приводит к снижению температуры пламени и уменьшению количества термического N0 [1].

В этом случае равновесная концентрация СО после полного охлаждения продуктов сгорания очень мала, однако из-за очень малой скорости реакций окисления СО при низкой температуре реальная концентрация угарного газа оказывается замороженной на уровне, значительно превышающем равновесную.

Изучению процессов окисления СО за фронтом пламени в различных условиях посвящено большое число исследований [2-7]. Особое внимание уделяется исследованиям процессов, способных вызывать увеличение выбросов СО. Так в [8] анализируется влияние величины характерного времени турбулентности на тушение окисления

СО, а в [9] - влияние примеси HCl. В [10] исследовалось влияние присутствия сажи на окончательную концентрацию СО.

Одним из факторов, способных оказывать влияние на содержание СО является контакт пламени с относительно холодной поверхностью. Поскольку контакт пламени или горячих продуктов сгорания со стенками имеет место практически во всех технических устройствах, где используется процесс сжигания топлив, то процессы, происходящие в местах такого контакта, вызывают большой интерес [11-26]. Существуют математические модели химически-реагирующего погранслоя [13,17,25,26]. Однако эти модели все еще нуждаются в экспериментальной проверке. Тем не менее распределение концентрации СО в погранслое продуктов сгорания, необходимое для понимания роли пристеночных процессов в формировании выбросов СО и для проверки теоретических моделей релаксации СО в погранслое, до сих пор не было экспериментально исследовано.

В настоящей работе был проведен цикл экспериментальных исследований пограничного слоя потока продуктов сгорания на плоской пластине, а также релаксации концентрации СО при прохождении продуктов сгорания через цилиндрические каналы с охлаждаемыми стенками. Были измерены профили скорости и температуры потока продуктов сгорания, концентраций гидроксила и моноксида углерода в двух сечениях пограничного слоя, формирующегося на холодной ( TW=400K) и горячей (TW=1100K) поверхностях, для случаев стехиометрического и бедного пламен. Были измерены концентрации СО

на выходе трубок различных диаметров с различными температурами стенок при пропускании через них горячих продуктов сгорания при различных коэффициентах избытка окислителя. Эти исследования позволили проверить применимость модели, предложенной в [25] и развитой в[26-29], для расчета концентраций СО. Научная новизна работы состоит в следующем.

-Проведены комплексные экспериментальные исследования пограничного слоя, формируемого горячим потоком продуктов сгорания на плоской металлической поверхности. При этом были измерены пространственные распределения скорости, температуры и концентраций ОН и СО.

-Экспериментально исследовано влияние начального состава продуктов сгорания, температуры стенок и диаметра канала на содержание СО при ламинарном течении продуктов сгорания.

-Проведена экспериментальная проверка применимости модели химически-неравновесного пограничного слоя [25,26] для расчета профилей концентраций и интегрального содержания СО в релаксирующем потоке продуктов сгорания..

-Выявлено и исследовано влияние фотодиссоциации углекислого газа на результаты измерений концентрации СО методом лазерной флуоресценции.

Научная и практическая ценность состоит в том, что полученные результаты расширяют представления о процессах в пристеночных областях низкотемпературной плазмы продуктов сгорания и могут быть

использованы для совершенствования теоретических моделей релаксации состава продуктов сгорания. Они могут быть использованы для оптимизации процессов сжигания углеводородных топлив с точки зрения уменьшения выбросов СО. Кроме того, полученные данные позволяют учитывать влияние фотохимических процессов при флуоресцентном методе диагностики СО в присутствии значительных концентраций колебательно-возбужденных молекул СО2. На защиту выносятся:

1. Система комплексных измерений пространственных распределений параметров потока продуктов сгорания в пограничном слое.

2. Методика лазерного флуоресцентного определения концентраций СО.

3. Результаты измерений профилей СО в пограничном слое.

4. Результаты экспериментальных исследований релаксации СО в цилиндрических каналах.

Глава 1. Обзор литературы.

1.1 Процессы, определяющие релаксацию СО в погранслое.

Равновесная концентрация СО в продуктах сгорания углеводородов при температуре порядка 2000 К имеет порядок 1% при стехиометрии и 0.1% при значительном избытке окислителя. По мере охлаждения продуктов сгорания происходит окисление СО. Наиболее быстрой реакцией окисления СО является реакция с гидроксилом [6,30]: С0+0НоС02+Н. (I)

Эта реакция является одной из наиболее быстрых бимолекулярных реакций [18,20,25] и ее скорость слабо зависит от температуры. Так при типичных для пламен условиях ( температура 2000 К и концентрация ОН 1016 см-3 ) характерное время этой реакции составляет 0.6 мс. Это, в частности, затрудняет измерения концентрации СО методом отбора проб в тех условиях, когда концентрации СО и ОН соизмеримы [4,31,32]. Согласно [4], для замораживания концентрации СО на исходном уровне нужен темп охлаждения пробы >108 К/с, что не всегда удается получить даже при газодинамическом охлаждении [32]. Концентрации О, Н, ОН и СО связаны быстрыми бимолекулярными реакциями с характерными временами в условиях углеводородного пламени менее 1 мс [25]: С0+0Н^С02+Н, (I) Н+02о0Н+0, (II)

Н20+0о20Н, (III)

Н+0Н<->Н2+0, (IV)

Н20+Н^0Н+Н2 (V)

Но, как отмечено в [20], набора быстрых бимолекулярных реакций недостаточно дня установления полного химического равновесия. Поэтому, даже если эти реакции равновесны, концентрации радикалов и СО могут значительно превышать равновесные значения.

Неравновесность радикала ОН в погранслое на электроде, помещенном в релаксирующий поток продуктов сгорания пропана, экспериментально наблюдалась в [22-24]. Данные работ [18-21], в которых наблюдалась неравновесность концентраций атомов щелочных металлов в погранслоях, также косвенно свидетельствуют о неравновесности радикалов [18]. Когда быстрые бимолекулярные реакции равновесны и концентрация 02 близка к равновесной ( при избытке кислорода ) концентрация СО связана с концентрацией ОН соотношением:

[СО]/[СО]е(1=([ОН]/[ОН]ес1)2 , (1)

где квадратные скобки означают концентрацию, а индекс "щ" обозначает равновесную концентрацию. Отсюда видно, что при отклонении концентрации ОН от равновесной, концентрация СО также будет неравновесной. В непосредственной близости от поверхности, концентрация ОН спадает на столько, что характерное время реакции (I) становится больше газодинамического, но при этом и концентрация ОН и концентрация СО могут оставаться на уровне, значительно превышающем равновесный для температуры в данной точке погранслоя. Таким образом, несмотря на большую скорость реакции (I),

концентрация СО в погранслое может замораживаться на значительном уровне. Этот эффект может приводить к увеличению выброса СО.

Процесс замораживания СО в погранслое тесно связан с реакциями рекомбинации радикалов [20,25,26]: H+0H+M^H20+M, (VI) 0+0+Mo02+M, (VII)

C0+0+M<->C02+M, (VIII)

Н+Н+МоН2+М. (IX).

Во внутренних частях погранслоя при относительно низких температурах заметную роль могут играть реакции с участием Н02, Н202 [26,30] и других радикалов. Важную роль в погранслое играют также диффузия и термодиффузия [16]. Все это делает теоретическое описание релаксации СО в погранслое сложной математической задачей. Кроме того для ее решения необходимо знать константы скоростей большого числа реакций в широком диапазоне температур. Эти данные до сих пор постоянно уточняются [6,30,33,34]. В [22] неточностью использованных при расчете констант объясняется количественное расхождение экспериментальных и теоретических профилей ОН в пограничном слое при коэффициенте избытка окислителя a^l.O. Поэтому существующие модели, описывающие релаксацию СО в погранслое, нуждаются в экспериментальной проверке в возможно более широком диапазоне параметров набегающего потока.

Существенное значение для замораживания СО в погранслое может иметь каталитическая активность поверхности. Согласно [22-24]

каталитические свойства поверхности слабо сказываются на профили ОН в погранслое. В тоже время в [22] наблюдалось заметное влияние свойств поверхности на профили калия. В случае СО также можно ожидать влияние гетерогенных реакций на распределение СО во внутренней зоне погранслоя и, соответственно, интегральный выброс СО. Известно, что окислы железа являются катализаторами реакций окисления СО, синтеза метана из водорода и СО и пароводяной конверсии [35]. Опыт показывает, что пластина из нержавеющей стали, помещенная в горячий поток продуктов сгорания быстро покрывается слоем гидроксидов и окислов. Поэтому вывод о каталитических свойствах реальной стальной поверхности можно будет сделать только по результатам экспериментальных исследований.

Из вышеизложенного можно сделать выводы, что процессы, протекающие в пристеночной области потока продуктов сгорания, являются сложными и не до конца изученными, концентрация СО в этих областях может существенно превышать равновесную, и для количественной оценки влияния пристеночных областей на содержание СО необходимы прямые измерения распределения СО в пограничном слое.

1.2 Методы диагностики СО в пламенах.

Для исследования поведения СО в погранслое необходимо проведение измерений локальных концентраций СО в широком диапазоне температур и при различных составах продуктов сгорания. Традиционным способом измерения концентраций различных молекул является отбор проб с помощью микрозонда, охлаждаемого пробоотборника, или путем формирования молекулярного пучка [36 (с. 56-85)]. Для определения концентрации СО проба может анализироваться с помощью масс-спектрометра, как в [3], или абсорбционным анализатором [4]. В случае использования масс-спектрометра возникают сложности с разделением сигналов от азота и СО [37]. При диагностике СО в горячих бедных пламенах с помощью отбора проб возможны ошибки связанные с окислением СО в пробоотборнике [4,31,32]. Кроме того пробоотборники возмущают поток. Поэтому для диагностики СО в погранслое более предпочтительны методики измерения концентрации СО In Situ.

Из невозмущающих поток методов диагностики, для измерения концентрации СО в пламенах применяются: комбинационное рассеяние, когерентное антистоксово рассеяние света (КАРС), лазерная ИК-спектроскопия, лазерно-индуцированная флуоресценция и резонансная фотоионизация.

Спонтанное комбинационное рассеяние, ввиду малого уровня сигнала и близости колебательных полос азота и СО, позволяет измерять

только значительные концентрации СО в зоне горения или в богатых пламенах [38-40].

Использование когерентного антистоксова рассеяния позволяет увеличить интенсивность сигнала и улучшить спектральное разрешение. В обычной схеме КАРС детектированию малых примесей препятствует относительно интенсивный нерезонансный фоновый сигнал. Поэтому для измерений малых концентраций СО в пламенах применяют схему с неколлинеарными векторами поляризаций волн накачки и анализатором, скрещенным с вектором поляризации нерезонансного сигнала, в антистоксовом луче [38,41(с. 261-269)]. Таким способом в [42] удавалось регистрировать концентрации СО в условиях пламени на уровне десятых долей процента.

Значительно большей чувствительностью обладает метод лазерной абсорбционной ИК-спекгроскопии со сканированием по длине волны [4,32,37]. В этом методе используется полупроводниковый лазер, одна из продольных мод которого близка к какой-либо изолированной колебательно-вращательной линии СО из полосы поглощения 4.7 мкм. Сканирование по длине волны обычно осуществляется путем периодического изменения температуры лазера при модуляции проходящего через него тока. Нужную продольную моду выделяют с помощью монохроматора и пропускают через исследуемую область. Регистрируется переменная составляющая сигнала. Поскольку для перестройки длины волны на величину порядка ширины линии поглощения достаточно относительно небольшого изменения тока, то

при наличии значительного поглощения почти все изменение сигнала обусловленно зависимостью поглощения от длины волны. Применение синусоидальной модуляции тока и регистрация второй гармоники, возникающей после прохождения зондирующего излучения через исследуемую область, позволяют существенно поднять чувствительность этого метода [43] и измерять концентрации СО в продуктах сгорания на уровне десятков ррт [4]. Абсорбционным методом возможно измерение только средних по лучу концентраций.

Другим удобным методом измерений распределений концентраций СО является метод лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛИФ). Поскольку переход в самое нижнее электорнно-возбужденное синглетное состояние СО лежит в области вакуумного ультрафиолета ( рис. 1), а переход в триплетное состояние запрещен по спину, то для возбуждения флуоресценции используется многофотонное поглощение [44-48]. При возбуждении состояния А'П [44-46] большая часть сигнала флуоресценции приходится на вакуумный ультрафиолет, что сильно затрудняет ее регистрацию. Поэтому наибольшее распространение в диагностике пламени получил метод, основанный на двухфотонном возбуждении состояния Б^Е4" (на длине волны 230.1 нм) и регистрации флуоресценции на переходе В1!"1"- АГП ( полосы Ангстрема 451-725 нм) [2,7,49-52]. Сравнительно большое сечение двухфотонного поглощения [53] и удобный спектральный диапазон флуоресценции обеспечивают высокую чувствительность метода.

со+

/////// ///// /////// потенциал ионизации

230.1 нм

451нм\

СО

вс1^)

\484hm\520hm

^ А('П)

Рис.1 Схема уровней молекулы СО и переходы, участвующие в ЛИФ.

В [49] продемонстрирована возможность регистрации сигнала флуоресценции при концентрации СО на уровне 0.2 ррт при комнатной температуре. При достаточно высоких плотностях мощности возбуждающего излучения расселение уровня В1!"^ вследствие фотоионизации преобладает над тушением [48,50]. Это позволяет проводить калибровку по эталонной смеси для обеспечения количественных измерений концентрации СО [2,7,51,52]. Вместо сигнала флуоресценции возможна регистрация фотогальванического эффекта, возникающего при фотоионизации уровня В1!"1" молекулы СО [47,48,54]. Однако в этом случае могут возникнуть сложности с �