ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ім. І.І. МЕЧНИКОВА

ФЛОРКО ІРИНА ОЛЕКСАНДРІВНА

УДК 536.46

РОЛЬ ВИПРОМІНЮВАННЯ В ПРОЦЕСАХ ГОРІННЯ

ГАЗОДИСПЕРСНИХ СИСТЕМ

01.04.17 – Хімічна фізика, фізика горіння та вибуху

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Одеса – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі загальної та хімічної фізики Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор ШЕВЧУК Володимир Гаврилович, Одеський національний університет ім. І.І.Мечникова, професор кафедри загальної та хімічної фізики.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, професор ТЮРІН Олександр Валентинович, Інститут післядипломної та інноваційної освіти Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова, завідувач кафедрою комп’ютерних та інформаційних технологій;

доктор фізико-математичних наук, професор

КОНТУШ Сергій Михайлович, Одеська державна академія холоду, професор кафедри фізики.

Провідна установа: Чернівецький державний університет ім. Ю.Федьковича, Міністерство освіти і науки України, м. Чернівці Захист відбудеться “18” червня 2004 року о 14.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д41.051.01 в Одеському національному університеті ім. І.І.Мечникова (65026, Одеса, вул.Пастера,27, велика фізична аудиторія).

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Одеського національного університету ім. І.І.Мечникова за адресою: 65026 , Одеса, вул. Преображенська, 24.

Автореферат розісланий “12” травня 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради О.П. Федчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Горіння частинок металів, крапель вуглеводневого пального та їх газозавісу вивчаються інтенсивно в зв'язку з великою різноманітністю фізико-хімічних процесів, що протікають в подібних системах: тепломасообмін, радіаційне перенесення, газодинамічні явища, сажеутворення та інші. З практичної точки зору, подібні дослідження обумовлені проблемами енергетичного горіння, хімічними технологіями, заснованими на горінні, СВС (самопідтримуючийся високотемпературний синтез) – технологіями, питаннями пожежобезпеки, газодисперсного синтезу порошкоподібних матеріалів та інше.

Вельми важливою відмінністю подібних систем є наявність в них конденсованих продуктів згорання, які, в основному, і визначають їх радіаційні характеристики. Радіаційні потоки задаються як вихідними характеристиками горючої суміші (зокрема, сортом і концентрацією пального, а отже і температурою згорання), так і радіаційними параметрами мілкодисперсних конденсованих продуктів згорання. Ці параметри (коефіцієнти розсіяння і поглинання випромінювання) визначаються розмірами, фазовим і фізико-хімічним складом, температурою і концентрацією цих частинок. Вони і визначають характеристики випромінювання двофазного полум’я - інтегральну і спектральну світимість та емісійну здатність. Конкретний прояв випромінювання у випадку запалювання і горіння частинок зводиться до додаткових тепловтрат.

Актуальність теми. Розрахунок радіаційних характеристик в палаючих двофазних системах передбачає перехід від індивідуального випромінювача – перший рівень - до зони горіння як цілого, з врахуванням колективних ефектів – другий рівень. Перший із цих рівнів дає вихідну інформацію для другого, який визначає перенесення випромінювання в щільній сукупності мілкодисперсних частинок при високих температурах. Перший рівень має і самостійний інтерес, так як дозволяє описати теплообмін частинок, що конденсуються в процесі горіння. Цей аспект конденсації досліджено недостатньо, тому він є одним із предметів дослідження даної роботи. Відсутність детальних досліджень ролі випромінювання пов'язана з недостатньою інформацією про температурні залежності випромінювальних та поглинальних характеристик субмікронних частинок, що також стало предметом цих досліджень. Другим аспектом досліджень взаємодії конденсованої та газової фаз є теплообмін за рахунок зіткнення молекул з поверхнею субмікронних частинок, що утворюються при конденсації продуктів згорання. Ефективність обміну енергією молекул газу з поверхнею залежить від великого числа змінних (природа газу і поверхні, термодинамічні параметри системи, фізико-хімічні властивості міжфазової межі), які зазвичай невідомі. На теперішній час не існує достатньо розвиненої теорії, яка могла б з необхідною точністю описати процеси взаємодії молекул з поверхнею в реальних умовах. Труднощі теоретичного опису частково заповнюються введенням коефіцієнтів акомодації енергії, які є основною характеристикою взаємодії газу з поверхнею. В сучасній літературі існує значна кількість даних про коефіцієнти акомодації, отриманих різними експериментальними методами для широкого класу систем газ-тверде тіло. Цінність більшості з них, на жаль, невисока, оскільки величини коефіцієнтів акомодації сильно залежать від фізико-хімічних властивостей міжфазних меж, відомості про які, як правило, відсутні. Мало робіт виконано в умовах гарантованого хімічного складу поверхні. Відсутні систематичні дослідження температурної залежності коефіцієнтів акомодації, а також залежності їх від типу газу. В зв'язку з важливістю питання про міжфазний обмін енергією, значна увага в цій роботі приділена питанню визначення коефіцієнта акомодації енергії

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалась на кафедрі загальної та хімічної фізики та в Інституті горіння і нетрадиційних технологій Одеського Національного Університету ім. І.І. Мечникова відповідно до госбюджетної теми (№ держреєстрації 196U002289) на замовлення Міністерства освіти і науки України. Робота виконувалась за напрямком екологічно чистої енергетики і ресурсозберігаючих технологій.

Метою даної роботи стало виявлення ролі випромінювання в теплообміні палаючих дисперсних систем і визначення особливостей оптичних і випромінювальних характеристик конденсованих частинок як первинних джерел випромінювання при температурах горіння у видимому і ультрафіолетовому діапазонах довжин хвиль.

Для досягнення цієї мети було сформульовано такі задачі наукового дослідження:

1.

2.

3.

4.

5.

Об'єкт дослідження: поодинокі частинки металів Mg i Al, краплі вуглеводневих пальних та їх газозавісу.

Предмет дослідження: визначення температурних і спектральних залежностей оптичних і випромінювальних характеристик палаючих систем, вкладу процесів розсіяння і поглинання в переніс випромінювання досліджуваних систем, оцінка коефіцієнту акомодації енергії, що характеризує взаємодію молекул з поверхнею К-частинок при зіткненні.

Методи дослідження:

1.

2.

3.

4.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

-

-

-

-

-

-

-

-

Практичне значення отриманих результатів

-

-

-

-

-

-

Особистий внесок здобувача. Усі результати, що становлять основний зміст дисертації, отриманні особисто автором, а саме

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Авторові безпосередньо належать ідеї, що покладені за основу експериментальних методів дослідження, проведення експериментів, їх обробка та інтерпретація; формулювання наукових положень і висновків; частина результатів була отримана і обговорювалась спільно з співробітниками кафедри загальної та хімічної фізики і Інституту горіння та нетрадиційних технологій Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова, які є співавторами надрукованих робіт.

Апробація результатів дисертації. Головні результати роботи були апробовані і надруковані в працях міжнародних конференцій:

· III Минский международный форум по тепломасообмену, 20-24 мая 1996;

· International Conference dedicated to the memory of Prof. I.Z. Fisher.Spatial in Physics of Liquids, Odessa, May 31- June 4, 1999;

· “Дисперсные системы” XIX конференция стран СНГ, Одесса, 25-29 сентября 2000;

· "Energetic materials - Ignition, Combustion and Detonation". Proceeding of the 32nd International ICT-Conference, July 3 - July 6, 2001, Karlsruhe, FRG.

Публікації. Результати дисертації надруковані в 5 наукових публікаціях і 6 тезах доповідей на міжнародних наукових конференціях. Загальна кількість публікацій 11.

Структура і об'єм дисертації. Дисертаційна робота викладена на 114 стор. машинописного тексту, вміщує 47 малюнків , 8 таблиць, складається з введення, 6 розділів, висновків, додатка, списку використаної літератури (118 джерел, 11 стор.). Повний текст дисертації 149 стор., ілюстрацій 21 стор., додаток 3 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність, наукова та практична значущість роботи, формулюється мета та задачі дисертації, викладаються основні положення та результати, що виносяться на захист.

У першому розділі проводиться огляд літератури, який стосується ролі випромінювання в процесах горіння дисперсних систем. Аналізуються підходи при рішенні задач про перенесення випромінювання у випромінюючих, поглинаючих і розсіючих дисперсних середовищах. Вихідною інформацією при рішенні таких задач є оптичні характеристики частинок при температурах горіння, однак літературні дані про них є неповними і протирічними. Аналізується стан питання про міжфазовий теплообмін за рахунок зіткнення молекул газу з частинками. Встановлено, що на теперішній час відсутня інформація про коефіцієнти акомодації енергії при температурах 20003000 К. На основі проведеного літературного огляду сформульовані мета і задачі поданої роботи.

У другому розділі дисертації описана експериментальна установка, використані методики та їх похибки, обґрунтоване їх використання для досліджування палаючих дисперсних системах. По ходу досліджень використовувались відомі оптико-спектральні методи, що мають багато позитивних якостей, таких як безконтактність, інформативність, високе просторове та часове розрізнення. Проводились виміри:

1.

2.

3.

4.

5.

Оскільки температура є одним із головних параметрів палаючої системи, що впливає на фізико-хімічні процеси, які протікають при горінні, було приділено більше уваги до похибок вимірювання. Зокрема, впливу на результати вимірювання апаратних викривлень, на прикладі визначення температури по абсолютним інтенсивностям в центрі резонансної лінії. Проведений нами аналіз дозволив визначити мінімальну концентрацію атомів лужного металу, що використовувався як домішок, яка для даної напівширини апаратної функції приведе до заниження виміряного значення температури не більш ніж на 0,5% (а це тільки 10 15 К). На мал.1 подана залежність здобутку мінімальної концентрації атомів натрію на ширину зони горіння NNal від напівширини апаратної функції апп.

Достатньо висока точність визначення температури дозволила нам розробити методику визначення температурної залежності оптичних і випромінювальних характеристик палаючих систем, опис якої подано в третьому розділі дисертації.

У третьому розділі нами запропонована і описана методика дослідження характеристик палаючих систем, яка використовує перехідні процеси, що відбуваються в них. Вони обумовлені, наприклад, вигоранням окислювача, утворенням окисної плівки на поверхні палаючих частинок і т.п. Візуально процес горіння поодинокої частинки магнію, радіусом 13 мм вважається стаціонарним, але фактично, як показують вимірювання, інтенсивності смуг і ліній, світимості К-фази, зменшуються на протязі часу (див.мал. 2). Як показав аналіз, ці залежності обумовлені зміною температури в процесі горіння. Зазначені досить точні вимірювання температури дозволили показати, що температура з часом змінюється практично по лінійному закону (див.мал.3). Запропонована методика дозволила установити, що електронні рівні атомів та електронно-коливальні рівні молекул заселені у відповідності з розподілом Больцмана, що стало підґрунтям для використовування методів вимірювання температури газового компонента, які

Мал. 1. Залежність мінімальної оптичної щільності від напівширини апаратної функції, яка забезпечує надійність вимірювання температури газу за інтенсивностями ліній. |

Мал.2. Часова залежність відносної світимості К-фази: : ? - = 0, 29 мкм; ¦ - = =0, 5 мкм. Смуга MgO: ? - = 0,5 мкм; Нерезонансна лінія Mg: ? - = 0,5167 мкм.

Мал. 3. Графік залежності температури в зоні горіння поодинокої частинки Mg від часу.

описано в цій роботі. А також показали, що газова і конденсована фази знаходять-ся в стані, близькому до рівноваги.

Як відомо, первинними джерелами випромінювання в досліджуваному нами полумї є палаючі частинки металу і конденсовані продукти згорання, якими при горінні металів є їх оксиди, а при горінні вуглеводневих палив - частинки сажі. Основний внесок до переносу випромінювання в розглянутих системах вносять саме конденсовані продукти згорання. В зв’язку з цим в подальшому мова буде йти про оптичні характеристики оксидів MgO, Al2O3 та сажі. По ходу досліджень ми ставили перед собою задачу визначити особливості спектральних і випромінюючих характеристик конденсованих продуктів згорання в залежності від того володіють речовини, які досліджувались, властивостями провідника, як сажа, чи напівпровідника, як MgO, Al2O3 при температурах горіння.

Відомо, що оксиди MgO в нормальних умовах є широкозонним діелектриком, але при температурах горіння ці частинки можуть вести себе як напівпровідники (Eg/kT при температурах горіння відповідає таким для напівпровідника при кімнатній температурі). За залежностями спектральної емісійної здатності полум'я від температури було визначено ширину забороненої зони для MgO, яка, як виявилось, дорівнює: Eg = (6,5 0,3) еВ. В цілому ж, з врахуванням релєєвського наближення, фактори ефективності поглинання випромінювання Qa (l, , T) для субмікронних частинок MgO мають вигляд:

Qа=105l-1exp(-37700/T). (1)

Для частинок Al2O3:

Qа=1,3107d -1exp(-61480/T), (2)

де d, l – діаметр частинок в сантиметрах, - вимірюється в см.

Відзначимо також, що Al2O3 и MgO при температурах горіння мають явно виражені властивості напівпровідників. Одержана залежність Qa (T) була використана при описі теплообміну для зростаючих внаслідок конденсації К-частинок. Цьому питанню, а також і визначенню коефіцієнта акомодації енергії присвячено наступний розділ дисертації.

У четвертому розділі подано результати дослідження процесу теплообміну зростаючих в процесі конденсації К-частинок на прикладі MgO. Відомо, що в процесі конденсації виділяється велика кількість енергії, яку К-частинці необхідно передати в оточуюче середовище. Є дві можливості: теплообмін випромінюванням і теплообмін за рахунок зіткнення молекул газової фази з частинками.

Якщо теплообмін буде неефективним, то конденсація буде протікати повільно. Як видно з одержаної нами формули (1), при розмірі К-частинки l 0, фактор ефективності Qa 0, тобто теплообмін випромінюванням незначний і можливий лише за рахунок зіткнень з молекулами газу.

Ефективність цього процесу залежить від коефіцієнту акомодації енергії, який при температурах горіння до нас ніхто не визначав. Ми визначили числове значення коефіцієнту акомодації енергії, розв'язавши систему рівнянь, що описує зростання частинок і рівняння теплового балансу:

, (3)

Мал. 4. Ілюстрація теплового балансу К-частинок в процесі їх росту: n – відношення енергій, що втрачається частинкою в одиницю часу при зіткненні з молекулами газу і за рахунок випромінювання; 1- енергія, що виділяється в одиницю часу при конденсації частинки; 2- енергія, що втрачається частинкою за рахунок випромінювання; 3- енергія, що втрачається частинкою за рахунок зіткнення (3)

, (4)

де - коефіцієнт конденсації; с – питома теплоємкість MgO; - теплота конденсації із розрахунку на одну молекулу; <v> - середня швидкість теплового руху молекул; N(0) – концентрація молекул MgO; F = N/N0; N -передекспоненціальний множник, що визначає температурну залежність рівноважної концентрації молекул MgO; N0-концентрація молекул газового компоненту; і – число ступенів вільності молекул, які приймають участь в теплообміні; - постійна Стефана –Больцмана; Е – теплота випаровування; Тr –температура газу. Рівняння (3) є рівнянням теплового балансу для частинок з поточним розміром l, (4) – описує динаміку росту К-частинок. Перший доданок в рівнянні (3) визначається теплоприходом за рахунок конденсації, другий і третій, відповідно, втратою енергії за рахунок зіткнення і випромінювання. При розрахунках припускалось, що концентрація молекул газу MgO, як і температура Тr , в процесі росту К-частинок залишаються незмінними. Обчислення проводились для різного тиску і Е. Коефіцієнт акомодації енергії Е змінювався в діапазоні від 510-3 до 0,5. Виявилось, що для всіх тисків результати обчислювань краще узгоджується з даними експерименту при Е 0,01 0,02. Використовуючи отриманні значення Е, ми провели розрахунки швидкостей теплообміну за рахунок випромінювання і зіткнення. На мал. 4 подано результати залежності, що ілюструють тепловий баланс К-частинок у часі. Крива n – (відношення енергій, що втрачається частинкою за одиницю часу за рахунок зіткнення і за рахунок випромінювання). Криві 1-3 описують часові залежності потужностей тепловиділення від різних процесів і ілюструють сказане, але в кількісній мірі. Видно, що на ранній стадії росту К-частинок

Мал.5. Радіальний розподіл власного випромінювання вуглеводневого полум'я (крива 1) і випромінювання стороннього джерела, що пройшло через полум'я (крива 2) хс хг - відносні координати зони сажоутворення і горіння, r0 – радіус краплі

енергія, що виділяється при конденсації, передається в оточуюче середовище виключно за рахунок зіткнення з молекулами газу. До моменту часу, що складає приблизно 2030% від повного часу зростання, внесок в теплообмін обох процесів порівнюється. З часом роль випромінювання стає провідною і в кінці росту частка теплообміну за рахунок зіткнення не перевищує 510%. Основна причина описаних закономірностей пов’язана з прямою пропорційною залежністю емісійної здатності субмікронних частинок від їх розміру.

Як показали наші розрахунки з використанням одержаного коефіцієнту акомодації, в процесі зростання К-частинок розрив між температурою К-фази і газу може досягти 50 К, а значить система не є ізотермічною. Шляхом числових експериментів ми показали, що полідисперсну систему багатотемпературних сірих джерел, можна розглядати як сіру систему і застосовувати полікольоровий метод виміру температури.

У п`ятому розділі надано результати оптико-спектральних досліджень крапель вуглеводневих пальних. За електричними властивостями частинки сажі, що формують суцільний спектр випромінювання полум’я, можна розглядати як провідники, що і визначає особливості їх випромінювальних і поглинальних характеристик. Для визначення оптичних характеристик були проведені дослідження просторової структури полум’я палаючих крапель вуглеводневих палив.

Досліджувалось полум’я від оптично тонкого октану до оптично щільного бензолу. На мал.5 представлені типові радіальні розподіли власного випроміню-вання полум'я (крива 1) і випромінювання стороннього джерела, що пройшло через полум'я (крива 2), що дозволяє визначити просторову структуру, концентрацію і температуру у фронті горіння (див. таблицю 1). За цими даними ми визначили уявну частину показника заломлення . Одержана величина в межах похибок експерименту не залежить від довжини хвилі і температури і у видимому діапазоні вона дорівнює: = 0,65 0,1, що на 2 порядки перевищує значення такої для Al2O3 і MgO.

Таблиця 1

Характеристики полум'я вуглеводневих крапель

Речовина | Nkc , см-3 | Nkг , см-3 | lc , мм | rc , мм | lг , мм | rг , мм | Tг , К

Бензол | 6 1011 | 1,5 1011 | 1,1 0,2 | 5,3 0,2 | 1,0 0,1 | 7,2 0,5 | 1710 20

Бензин | 2 1011 | 3 1010 | 1,2 0,2 | 5,2 0,4 | 0,8 0,1 | 6,8 0,4 | 1790 40

Гексан | -- | 1,5 1010 | -- | -- | 0,8 0,1 | 7,0 0,2 | 1720 20

Октан | -- | 1,5 1010 | -- | -- | 0,8 0,1 | 7,0 0,2 | 1780 20

Примітка. Nkc -– концентрація частинок в зоні сажоутворення; Nkг - в зоні горіння; lc , lг - протяжність зон сажоутворення і горіння, відповідно; rc , rг - радіуси зон; Tг - температура горіння.

Шостий розділ присвячено особливостям спектральних характеристик індивідуальних частинок і їх газозавису залежно від оптичної щільності, а також ролі випромінювання в теплообміні вказаних об'єктів. Перша особливість заключається в тому, що із зниженням тиску оточуючого середовища зростання К-частинок на ранній стадії ускладнюється.

В результаті концентрація К-частинок в зоні конденсації з пониженням тиску падає і полум'я стає прозорим, без видимої конденсованої фази, що спостерігалось раніш в ході експериментів, проведених в Інституті горіння та нетрадиційних технологій Одеського національного університету ім. І.І. Мечникова. При цьому, як було раніш показано, роль випромінювання в тепловому балансі з пониженням тиску для поодиноких палаючих часток Mg падає від 40% до 4%, в той час коли для окремої К-частинки доля випромінювання в тепловому балансі збільшується від 50% до 80%, як було показано в даній роботі.

Друга особливість заключається в тому, що не дивлячись на те, що частинки Al2O3 , MgO і частинки сажі мають на порядки величин відмінну електропровідність, в УФ діапазоні спостерігається різке зростання спектральної емісійної здатності, що ми інтерпретуємо як розмірний ефект.

Різниця на 2 порядки уявних частин показника заломлення для частинок сажі і оксидів призводить до того, що роль розсіювання і поглинання випромінювання для них принципово різна. На мал. 6 зображена залежність числа Шустера від довжини хвиль. Число Шустера визначається, як Sc=s /(s +a) (де s ,a - коефіцієнти розсіяння і поглинання випромінювання, відповідно) і показує ефективність цих процесів. Для частинок оксидів визначальну роль в екстинції відіграє розсіювання: для Al2O3 , MgO: Sc 1, в той час, як для сажі ці процеси зрівнюються для довжин хвиль менших ніж 0,3 мкм, при більших довжинах хвиль основну роль

Мал. 6. Число Шустера, відносний вклад в екстинкцію випромінювання процесів розсіювання і поглинання частинками сажі Al2O3 та MgO.

в перенесенні випромінювання грає поглинання.

Розрахунок оптичних щільностей проводився з використанням теорії Мі, а результати розрахунків осереднювались по функціям розподілу частинок за розмірами. На мал. 7,8 представлені перерізи процесів Al2O3 і сажі, яким і є пропорційні відповідні оптичні щільності. Ці ж результати використовувались для розрахунку спектральної емісійної здатності і світимості для різних оптичних щільностей і довжин хвиль.

Одержані дані дозволили пояснити температурні залежності спектральної емісійної здатності на різних довжинах хвиль.

При горінні газозавису частинок металів або крапель вуглеводневих пальних, в залежності від умов спалювання, концентрацій пального і масштабу палаючого об’єкта, оптична щільність системи буде змінюватись. У зв’язку з цим були проведені розрахунки і порівняння з результатами експериментів спектральної емісійної здатності ?л і спектральної світимості rл від оптичних щільностей. На мал.9 і мал.10 показано залежності ?л для MgO, Al2O3 і сажі. При великих оптичних щільностях всі вони виходять на насичення, що обумовлено тим, що випромінювання замикається. Крапки – результати експериментів (дані ІГНТ ОНУ), криві – наші розрахунки.

Як було показано, спектральний склад випромінювання газозавису при малих оптичних щільностях в цілому повторює спектральний склад випромінювання від індивідуальних частинок. Однак, з підвищенням оптичної щільності, внаслідок перепоглинання випромінювання, ефективність розсіювання і особливості випромінювання індивідуальних частинок проявляються все в меншій мірі і спектральний склад випромінювання стає близьким за своїм характером до випромінювання моноліту.

Результати роботи можна сформулювати в наступних висновках.

Мал. 7. Усереднені по функції розподілення частинок Al2O3 за розмірами перерізи процесів: 1- екстинції уе; 2,4 – розсіювання уs; 3,5 – поглинання уа; 1,2,3 – розрахунки на основі теорії Мі; 4,5 – в релеєвському наближенні | Мал. 8. Усереднені по функції розподілення частинок сажі за розмірами перерізи: 1 – поглинання ?а, 2- екстинції ?е

Мал. 9. Залежність спектральної емісійної здатності ?л від здобутку концентрації субмікронних частинок оксидів металів Nk і довжини джерела випромінювання L. Крапки – результати експериментів: a1,b1, c1,d1 - ел зони конденсації частинок Mg при тисках Р= 105; 5·104 ; 2 · 104; 104 Па, відповідно; a2, b2 - ел фронту ЛДД факелу Al для концентрацій пального 0,6; 0,4 кг/м2, відповідно. |

Мал. 10. Залежність спектральної емісійної здатності ?л сажі від оптичної щільності для різних довжин хвиль: 1 – ?= 0,25 мкм, 2 - ?= 0,5 мкм, 3 - ?= 0,75 мкм.

ВИСНОВКИ

1. Запропонована методика досліджень палаючих дисперсних систем, яка заснована на використанні перехідних процесів, що протікають в них, дозволила: 1) встановити температурну залежність величин факторів ефективності поглинання випромінювання субмікронними частинками, яку необхідно враховувати при описі переносу випромінювання в розсіюючих, поглинаючих і випромінюючих середовищах; 2) показати, що електронні і коливальні рівні молекул і атомів заселені у відповідності з розподілом Больцмана, що є обґрунтуванням для застосування використаних методик виміру температур.

2. Вперше встановлено, що в процесі зростання К-частинок роль механізмів теплообміну випромінюванням і за рахунок зіткнення молекул газу з К-частинками міняється в залежності від стадії їх росту і зовнішніх умов. На ранній стадії їх зростання енергія, що виділяється при конденсації, передається в оточуюче середовище виключно за рахунок зіткнення з молекулами газу. На момент часу, що складає приблизно 20?30% від повного часу росту, внесок в теплообмін обох процесів зрівнюється. З часом роль випромінювання стає провідною і в кінці зростання доля теплообміну за рахунок зіткнення не перевищує 5 10%. Основна причина цих закономірностей пов'язана з прямою пропорційною залежністю емісійної здатності субмікронних частинок від їх розміру. В цілому роль випромінювання в загальному тепловому балансі зростаючих К-частинок з пониженням тиску від Р = 105Па до Р = 210 4Па зростає від 50% до 80%. При цьому, як було показано раніш в літературних джерелах, з пониженням тиску роль випромінювання в теплообміні полум’я палаючих частинок зменшується прямо пропорційно величині тиску.

3. Вперше визначено коефіцієнт акомодації енергії при температурах горіння: Е = 0,01 0,02, необхідний для коректного врахування теплообміну між конденсованою і газовою фазами за рахунок зіткнення.

4. Показано, що в УФ діапазоні довжин хвиль для вуглеводневого полум’я спостерігається різке зростання спектральної емісійної здатності із зменшенням довжини хвилі, що може бути пояснено за допомогою так званого розмірного ефекту, який раніш спостерігався для полум’я газозавісу металевих частинок.

5. Виміряно величини уявної частини показника заломлення у видимому і ближньому УФ діапазонах, які необхідні для розрахунку факторів ефективності поглинання. Показано, що на відміну від частинок оксидів металів, для яких розсіювання грає вирішальну роль в екстинкції випромінювання, для частинок сажі характерно, що ефективність розсіювання і поглинання можна порівнювати для довжин хвиль ? < 0,3 мкм, а на довжинах хвиль ? > 0,7 мкм поглинання випромінювання малими частинками є провідним. Ця відмінність пов’язана з тим, що уявна частина показника заломлення частинок сажі практично на 2 порядки величини перевищує як таку для частинок MgO і Al2O3 при температурах горіння.

6. В процесі зростання К-фази температура частинок різного розміру може відрізнятись від газової. Виходячи з отриманого нами значення коефіцієнту акомодації, ця відмінність може досягти 50 К. Таким чином, зона конденсації палаючої частинки уявляє із себе полідисперсну систему неізотермічних частинок. Проведенні числові експерименти, показали, що система сірих неізотермічних джерел у випадку малих оптичних щільностей, буде уявляти собою сіру систему, що дозволило обґрунтувати застосування полікольорового методу визначення температури в цьому випадку. Однак, для реальних палаючих систем з субмікронними частинками спектральна емісійна здатність у видимому діапазоні може залежати зворотно пропорційно від довжини хвилі, що необхідно враховувати при визначенні температури конденсованої фази.

7. Значення одержаних оптичних характеристик досліджених палаючих систем дозволяють розрахувати інтегральні і спектральні потоки випромінювання від палаючих газо дисперсних систем. Результати дослідження тонкої структури зони горіння вуглеводневих крапель і розроблена методика, що дозволяє проводити діагностику сажистого полум’я на вміст конденсованої фази, можуть бути використанні при розробці енергетичних установок. Запропонована методика дослідження дисперсних систем розширює можливості коректної безконтактної діагностики високотемпературних пламен з конденсованою фазою. Отримані дані про випромінювальні характеристики конденсованої фази є вхідною інформацією для аналізу і розрахунку радіаційних навантажень на стінки різних енергетичних установок і при розробці джерел випромінювання із заданими спектральними характеристиками. Проведені дослідження теплообміну субмікронних частинок в процесі їх конденсації можуть бути використані для цілеспрямованої організації технологічного процесу газодисперсного синтезу у хвилі горіння.

СПИСОК ДРУКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Сергиенко Т.А., Флорко И.А., Флорко А.В. Комплексный подход в исследовании химически реагирующих системах // Тепломассообмен ММФ-96. III Минский международный форум, 20-24 мая 1996. - T.3. - C.100-104.

2. Флорко И.А., Сергиенко Т.А., Флорко А.В. Формирование функции распределения конденсированных продуктов по размерам в волне горения // Тепломассообмен ММФ-96. III Минский международный форум, 20-24 мая 1996. - T.3 - C.187-191.

3. Сергиенко (Флорко) И.А., Флорко А.В., Шевчук В.Г. Особенности испускательных и поглощательных характеристик частиц сажи при температурах горения// Физика горения и взрыва.-2000 - T.36, №2 - C.33-39.

4. Сергиенко (Флорко) И.А., Полетаев Н.И., Флорко А.В. Использование нестационарности процессов горения при диагностике горящих объектов// Физика горения и взрыва. - 2001. - Т.37, №1 - С. 89-93.

5. Флорко И.А., Полетаев Н.И., Флорко А.В. Теплообмен излучением в горящих дисперсных системах// Физика аэродисперсных систем. - 2001.- Вып.38. - С.178-188.

6. Флорко И.А., Полетаев Н.И., Флорко А.В., Золотко А.Н. О теплообмене субмикронных частиц MgO в зоне горения одиночных частиц магния.// Физика горения и взрыва. - 2001 - Т.37, №5. - С.49-54.

7.Флорко И.А., Флорко А.В., Швец А.И. Влияние аппаратных искажений на результаты измерения температуры по абсолютной интенсивности резонансных линий// Физика аэродисперсных систем. - 2002 - Вып.39 - С.87-94.

8. Sergienko (Florko) I.A., Poletaev N.I., Florko A.V. The Radiative Properties of the Submicron Condensed Particles at High Temperatures.// International Conference dedicated to the memory of Prof. I. Z. Fisher. Spatial Problems in Physics of Liquids, Book Abstracts. - Odessa-Ukraine, May 31 - June 4, 1999. - P.125-126.

9. Полетаев Н.И., Флорко И.А., Флорко А.В. Роль излучения в теплообмене субмикронных частиц MgO в зоне горения одиночных частиц магния // “Дисперсные системы” XIX конференция стран СНГ, 25-29 сентября 2000 . - С.191-192.

10. Полетаев Н.И., Флорко И.А., Флорко А.В. Усовершенствованный полицветовой метод определения температуры газовзвеси субмикронных частиц// “Дисперсные системы” XIX конференция стран СНГ, 25-29 сентября 2000 . - С.153-154.

11. Florko I. A., Florko A. V., Poletaev N. I., Shevchuk V.G. Radiation exchange in burninig disperse systems// Energetic materials - Ignition, Combustion and Detonation, 32nd International ICT-Conference, 2001 July 3 - July 6, Karlsruhe, FRG. - P.123- 127.

АННОТАЦИЯ

Флорко И.А. "Роль излучения в процессах горения газодисперсных систем".-Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.17 - химическая физика, физика горения и взрыва.- Одесский Национальный университет им. И.И. Мечникова, Одесса, 2004

Установлена роль теплообмена излучением в процессе горения газодисперсных систем на различных уровнях: от субмикронной частицы до плотной газовзвеси таких частиц. Показано, что в процессе конденсации продуктов сгорания на ранней стадии роста теплообмен частиц осуществляется за счет столкновений с молекулами газа. С течением времени роль излучения в теплообмене становится ведущей. В целом роль излучения, в зависимости от внешних условий, отдельно взятой частицы составляет 50 80%. Измерены оптические и излучательные характеристики оксидов металлов MgO, Al2O3 и сажи при температурах горения. Определено значение коэффициента аккомодации энергии в волне горения. Выявлены особенности зависимостей излучательных характеристик от длины волны и температуры, рода вещества (полупроводник, проводник) как для индивидуальных частиц (MgO, Al2O3 и сажи), так и для газовзвесей частиц продуктов сгорания с различными оптическими плотностями. Предложена методика исследования горящих систем основанная на переходных процесах, протекающих в них.

Ключевые слова: горение, теплообмен, дисперсные системы, оптические и излучательные характеристики, конденсированная фаза, коэффициент аккомодации энергии, газовзвесь, одиночные частицы металлов, капли углеводородных горючих.

АНОТАЦІЯ

Флорко І.О. „Роль випромінювання в процесах горіння газодисперсних системах” – Рукопис. Дисертація на здобуття вченого ступеню кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.17 – хімічна фізика, фізика горіння і вибуху.- Одеський Національний університет

ім.. І.І. Мечникова, Одеса, 2004

Встановлена роль теплообміну випромінюванням в процесі горіння газодисперсних систем на різних рівнях від субмікронної частинки до щільного газозавісу таких частинок. Показано, що в процесі конденсації продуктів згорання на ранній стадії росту теплообмін здійснюється за рахунок зіткнення з молекулами газу. З часом роль випромінювання в теплообміні стає провідною. В цілому роль випромінювання, залежно від зовнішніх умов, окремо взятої частинки складає 50?80%. Визначені оптичні і випромінювальні характеристики оксидів металів MgO, Al2O3 і сажі при температурах горіння. Визначено значення коефіцієнту акомодації енергії при температурах горіння. Виявлені особливості залежностей випромінювальних характеристик від довжини хвилі і температури, роду речовини ( провідник, напівпровідник), як для індивідуальних частинок (MgO, Al2O3 и сажи) так і для газозавису частинок продуктів горіння з різними оптичними щільностями. Запропоновано методику дослідження палаючих систем, яка заснована на перехідних процесах, що в них протікають.

Ключові слова: горіння, теплообмін, дисперсна система, оптичні і випромінювальні характеристики, конденсована фаза, коефіцієнт акомодації енергії, газозавис, поодинокі частинки металів, краплі вуглеводневих пальних.

THE SUMMARY

Florko I.A." The radiation role in the combustion processes of the gas-disperse systems " .- Manuscript.

Thesis for obtaining the scientific degree of candidate in physical and mathematical sciences by speciality 01.04.17 - chemical physics, physics of combustion and explosion.- I.I. Mechnikov National University of Odessa, Odessa, 2004.

In this work is established the role of radiation heat exchange in combustion processes of gas-disperse systems at various levels: from the submicron particle to gas mixture of such particles. Is shown that during condensation process of combustion products at early stage of their growth heat exchange of particles is carried out at the expense of collisions with molecules of gas. With the time the radiation role in heat exchange becomes conducting. The radiation role at all depending on external conditions for separately taken particle is 5080 %. There are measured optical and radiative characteristics metal oxides MgO, Al2O3 and soot at burning temperatures. The value of energy-accommodation coefficients for combustion temperatures is determined. Are revealed the dependence features of radiative characteristics from wave length, temperature and sort of substance (semiconductor, conductor) for individual particles and for gas mixture with various optical density. Is offered the technique of research of burning systems based on transients.

Key words: combustion, heat exchange, disperse system, optical and radiative