Експериментальне дослідження впливу часток кремнію на електрофізичні характеристики плазми продуктів згорання

Для експериментального дослідження впливу часток кремнію на властивості димової плазми використовувалися спеціально приготовлені сумішні палива з внутрішнім окислювачем, що дають газовий факел. Доля окислювача відповідала стехіометричному співвідношенню паливної суміші з урахуванням 3% домішки перхлорату калію.

В експериментах використовувалися такі зразки:

C0 – еталонний зразок, що містить 3% перхлорату калію, який забезпечує концентрацію атомів калію в плазмі м^-3.

C1 і C2 зразки по змісту ідентичні базовому зразку С0, але з вмістом понад 100% добавки дрібнодисперсних( мкм) часток кремнію високої чистоти з власною провідністю і масовою концентрацією 0, 5% для C1 і 1, 5% для C2. Це забезпечує концентрацію часток у димовій плазмі м^-3 і м^-3.

Експерименти проводилися на установці, схема якої представлена на рис.16. Джерело плазми переміщалось у вертикальному напрямку. Виміри проводилися на різній висоті факелав діапазоні 20 мм – 100 мм від зони горіння. Зразки паливної суміші діаметром 10 мм і висотою 15 мм спалювалися в металевій трубці з пружиною. Це дозволяло фіксувати поверхню горіння щодо зрізу трубки та організувати стабільний факел висотою близько 150 мм.

Для вивчення електрофізичних характеристик плазми використовувався зондовий метод. Система електродів складається з плоского мідного противозонда площею мм² з термопарою і розташованого на відстані 5 мм від його поверхні сталевого зонда. Зонд являє собою змінний дріт діаметром 0, 1 мм, що вставляється в керамічну трубку зі струмознімачем. При цьому в контакті з плазмою знаходиться відрізок довжиною мм. Від комп'ютера на противозонд подавався потенціал,

Рис.16. Схема установки для виміру характеристик димової плазми.

що змінюється від В до В з кроком дискретизації В. Зонд заземлювався через опір . Сигнал від цього опору, після попереднього посилення, подавався в комп'ютер. Абсолютна погрішність виміру складає A.

Після встановлення горіння палива зонд вводився в потік плазми і передавав дані в комп'ютер зі швидкістю 32 KБ/с. Для обробки відбиралися тільки ті виміри, що відповідали температурі противозонда ()K. При цьому температура зонда складала () K.

В експериментах використовувався трехкольоровий пірометр з інтерференційними фільтрами з довжинами хвиль нм, нм, нм. Остання довжина хвилі збігається з довжиною хвилі резонансного випромінювання атомарного калію. Таким чином, третій канал пірометра використовувався для реєстрації відносної інтенсивності випромінювання резонансної лінії калію, пропорційної концентрації атомів калію.

Температура конденсованої фази плазми визначалася по відношенню енергії випромінювання суцільного спектра на двох довжинах хвиль і . При цьому застосовувалася методика зіставлення енергії випромінювання досліджуваного полум'я і каліброваної вольфрамової лампи для розрахунку спектральних характеристик випромінювання оптичною системою. Температура плазми, обмірювана пірометром, коливалася в межах 1730 K – 1820 K біля середнього значення 1780 K. Максимальний розкид значень температури складає 5%. Тому можна думати, що ділянка факела в межах 20-100 мм знаходилась при постійній температурі 1780 K.

Для проведення дисперсного аналізу проводився добір проб конденсованої фази шляхом прострілу через факел спеціально підготовлених підкладок. Проби часток відібрані в першому перетині на відстані 30 мм від поверхні палаючого зразка містять великі агломерати, що в деяких випадках являють собою блоки палаючого палива, відірвані від поверхні горіння. Агломерати утворені з більш дрібних часток, імовірно, оксиду металу. Частки оксидів спостерігаються також поруч з конгломератом. Збільшення кремнію помітно картину не змінює, хоча кількість часток оксиду більше. Проби продуктів згоряння, відібрані на більшій відстані від поверхні горіння, містять більше дрібних часток, що рівномірно покривають підкладку. У верхній частині факелана відстані 100 мм від поверхні горіння проба складається з дрібних часток оксидів, що рівномірно покривають підкладку. На рис. 17 представлені розподіли по висоті факела відносної інтенсивності випромінювання резонансної лінії калію для трьох: базового і двох зразків, що містять кремній. Відзначимо, що при незмінній температурі розподіл інтенсивності зразківякісно характеризує розподіл концентрації атомів калію в газовій фазі продуктів згоряння. На першій ділянці факела до 40 мм від поверхні горіння протікають хімічні реакції горіння палива, потім реакції завершуються і в верхній частині факела виконуються умови локально- термодинамічної рівноваги.

Рис.17. Відносна інтенсивність випромінювання резонансної лінії атомів калію.

1 – базовий зразок;

2 – 0, 5% кремнію;

3 – 1, 5% кремнію.

Концентрація атомів калію з уведенням домішки кремнієвого порошку збільшується. При цьому картина уздовж факела помітно змінюється. Якщо в нижній частині факела зразки з кремнієм дають велику концентрацію калію, то у верхній частині факела ефект виявляється навпаки: у зразках з великим змістом кремнію концентрація калію меньше. Причому зі збільшенням кремнію, що вводиться, концентрація калію стає менше.

Для проведення порівняльного аналізу на рис. 18 представленеа відносна зміна інтенсивності випромінювання атомарного калію уздовж факела відносно базового зразку. Ці дані дозволяють провести порівняльний аналіз впливу домішки часток кремнію і оксиду кремнію на концентрацію вільних атомів калію в газовій фазі.

Рис. 18. Відношення інтенсивностей випромінювання резонансної лінії атомів калію в факелі зразків із кремнієм до базового зразку.

1 – для зразків зі змістом 0, 5% кремнію;

2 – для зразків зі змістом 1, 5% кремнію.

Звідси видно, що в нижній зоні факела, пов'язаною з зоною горіння, зразки зі змістом часток кремнію дають велику концентрацію атомарного калію відносно базового зразку без домішки кремнію. Зниження концентрації атомів калію уздовж факела складає близько 20 %. Цей результат може якісно свідчити про зниження ступеня іонізації домішки кремнію в припущенні, що загальна концентрація атомів калію в газовій фазі не залежить від добавки кремнієвого порошку. Однак надалі ступінь іонізації зростає, що може бути викликано зміною міжфазної взаємодії, зв'язаної з окислюванням часток кремнію.

Знаючи початкову концентрацію домішки калію m^-3 і температуру плазми в факелі К, ми можемо, використовуючи константу Саха, обчислити рівноважні значення і за допомогою виражень:

,

.

Далі, користуючись даними по розподілу концентрації атомів калію уздовж факела, представленими на рис. 18, визначимо компонентні значення параметра нерівноважності - для іонів і - для атомів. Результати розрахункової обробки результатів експерименту представлені на рис. 19 і рис. 20.

Відзначимо, що параметр нерівноважності, фізичний зміст якого полягає у величині поправки до потенціалу іонізації атомів газової фази за рахунок придбання об'ємного заряду газовою фазою в результаті між фазної взаємодії в плазмі, має

Рис. 19. Зміна уздовж факела іонної складової параметра нерівноважності відносно базового зразку(позначення кривих 1 і 2 ті же, що і на рис. 18).

Рис. 20. Зміна уздовж факелаатомної складової параметра нерівноважностістосовно базового зразку(позначення кривих 1 і 2 ті же, що і на рис. 18).

внесок відповідно електронного, іонного й атомного компонентів. Це можна пояснити тім, що параметр нерівноважності є формальним параметром і представляє величину добавки до хімічного потенціалу. А так як хімічний потенціал має вираження для кожної з компонентів, то можна використовувати поняття компонентного параметра нерівноважності. Таким чином, іонний і атомний компонентні параметри нерівноважності обчислювалися по експериментальним даним випромінювання атомів калію.

Далі, на рис. 21 і 22 представлені аналогічні залежності для параметрів і . Причому параметр нерівноважності визначався безпосереднім чином із зондових вимірів. Із вираження, що описує рівноважну іонізацію в плазмі з конденсованою фазою за допомогою параметра , представляється можливість визначити його величину з відношення концентрацій електронів у складі зі змістом порошку кремнію до базового зразка. Очевидно, що при використанні відношення концентрацій електронів погрішність вимірів параметра нерівноважності значно знижується.

Експериментальне значення параметра нерівноважності плазми зі змістом часток кремнію і оксиду кремнію дозволяє визначити електронну складову і її розподіл уздовж факела. Для цього припустимо, що параметр є величиною аддитивною аналогічно хімічному потенціалу. Тоді, виходячи зі співвідношення і користуючись визначеними значеннями іонної і атомної складової ми можемо визначити електронну складову параметра нерівноважності.

Представлені на графіках значення параметра нерівноважності дорівнюють логарифму відношення концентрацій компоненти в зразку з кремнієм до базового зразку. Тому можна зробити висновок, що введення часток кремнію приводить до збільшення концентрації електронів і зменшенню концентрації іонів на початковій ділянці факела.

Подалі перетворення часток у факелі приводить до зворотного ефекту.

Рис. 21. Зміна параметра нерівноважності уздовж факела відносно базового зразку (позначення кривих 1 і 2 ті ж, що і на рис. 18).

Рис. 22. Зміна уздовж факела електронної складової параметра нерівноважності відносно базового зразку (позначення ті ж, що і на рис. 21).