Таблица спектральных линий некоторых элементов. Длина волны нейтральных атомов и их ионов указаны в нанометрах.

2.2 Электрические свойства пламени

Наглядно иллюстрирует общую сложность процессов тот факт, что пламя обладает значительными электрическими свойствами. Экспериментально установлено, что в пламени существует разделение зарядов, причём положительный объёмный заряд сосредоточен в реакционной зоне (во фронте пламени), а отрицательный - в предпламенной зоне. Предполагается, что разделение зарядов обусловлено амбиполярной диффузией. Носителями отрицательного заряда в пламени являются электроны и отрицательные ионы.

По имеющимся данным, образование ионов происходит как при термическом распаде веществ, так и в результате химических реакций. Предполагается так же, что незначительный вклад (доли процентов) в образование ионов могут вносить мелкие углеродистые частицы, обладающие работой выхода 4,35 кВ.

Так, ещё в 1909 г. Ф. Габер предположил, что ионы в пламени образуются в результате химической ионизации в реакции с участием радикалов С2, СН, ОН. В зависимости от условий горения и вида топлива, концентрация ионов в пламени составляет около 1010-1012 см-3, т.е. на 4-6 порядков превышает концентрацию, которая должна была бы наблюдаться при чисто термическом механизме ионизации.

Максимум ионизации соответствует фронту пламени, где протекают химические процессы, причём концентрация заряженных частиц резко падает по выходе в зону продуктов сгорания, хотя в этой зоне и наблюдается максимальная температура. Соотношение концентрации ионов в этих зонах оценивают как 1000:1.

При механизме хемиоионизации частицы претерпевают химическую перегруппировку, при которой освобождается количество энергии, достаточное для ионизации одного из продуктов реакции. Предполагается, что в случае пламени такой процесс идёт как побочная реакция между частицами, участвующими в основной реакции горения. Имеется довольно большое число возможных с энергетической точки зрения реакций, в которых участвуют две частицы в основном состоянии или одна в основном, а другая - в возбуждённом состоянии. Поэтому предполагается, что хемоионизация, независимо от того, сопровождается она образованием возбуждённых частиц или нет, является наиболее вероятным источником ионизации пламени.

Энгель и Козенс считали, что при столкновении с колебательно-возбуждёнными частицами электроны свободно могут получить дополнительную энергию. Было рассчитано, что в результате баланса между энергией, полученной от возбуждённых частиц, и энергий, потерянных при упругих столкновениях, средние энергии электронов в пламенях могут лежать в интервале 0,2-1,2 эВ (температура 2320-11600 К).

Многие эксперименты с электростатическими зондами показывают, что в некоторых пламенях существуют повышенные электронные температуры. Так, например, в недавней работе Брэдли и Меттьюса, в которой использовались двойные зонды при пониженных давлениях, были обнаружены температуры до 30000 К. Электроны, обладающие энергией, немного превышающей потенциал ионизации, способны легко ионизировать атомы и молекулы. Именно эти электроны являются источником ионизации в пламенях, где обнаружены повышенные электронные температуры.

Логично предположить, что электроны при температурах порядка 30000 К вызовут ионизацию с большими скоростями. Недавняя работа показала, что в пламенях происходит не только хемоионизация, но и образует значительное количество ионов О2+, которые могут возникать в присутствии электронов при повышенных температурах. Предполагается, что последние появляются в результате взаимодействия с возбуждёнными молекулами СО2, которые в свою очередь образуют при рекомбинации молекул окиси углерода с атомарным кислородом.

Однако повышенные электронные температуры были обнаружены не во всех пламенях с повышенной степенью ионизации. Более того, при изменении скорости ионообразования были получены плоские плато, соответствующие току насыщения, при атмосферном давлении в широком интервале приложенных напряжений. При этом напряжённость поля в зоне горения имела порядок кВ/см и, таким образом, была достаточна для значительного повышения электронной температуры. Это приводит к выводу, что в различных пламенях могут играть важную роль различные механизмы ионообразования. Выяснение роли электронов повышенной энергии как одного из возможных источников ионизации требуется дальнейшего излучения.

Были предложены два механизма, благоприятные с термохимической точки зрения:

СН+ОСНО++е-,

и

СН (А2Д) +С2Н2 С3Н3++е-.

Таким образом, представленный выше текст показывает, что в процессе горения происходит относительно неоднородный распад молекул, образование ионов и свободных радикалов. Потому, многие молекулы, избежавшие полного окисления, могут быть трансформированы при столкновении со свободными радикалами, в результате в ничтожных дозах образуются множества веществ, изначально не входящие в состав горючего.

3. Конвекция над пламенем

Рисунок 1. 1 - окислительное пламя; 2 - восстановительное; 3 - снова окислительное; 4 - наиболее близкий к пламени горячий (100-150°С и более) поток воздуха; 5 - вторичный воздушный поток с относительно малыми (50-100°С) температурами

Стрелками указано направление движение восходящих воздушных потоков. Зеленой линией примерно показано распределение температур по высоте пламени.

При нагреве около пламени воздух расширяется, за счет чего происходит уменьшение его плотности. Как известно, среда, имеющая меньшую плотность начинает подниматься по закону Архимеда, если попадает в объем среды с большей плотностью. Таким образом, теплый воздух поднимается наверх вдоль пламени, участвуя в попутно протекающих реакциях горения. При подъеме, происходит перемешивание нагретого воздуха с окружающим. В результате протекающего при этом процесса теплообмена, общий объем разогретого воздуха увеличивается за счет поступления дополнительного количества частиц извне (разбавление), но одновременно происходит охлаждение. Как уже говорилось, при прохождении вблизи пламени, воздух участвует в процессах окисления, в следствие чего обогащается продуктами горения, молекулярные массы которых, как правило, выше, чем среднее значение молярных масс веществ, составляющих воздух. Поэтому, хотя продукты горения, будучи разогретыми, и поднимаются, плотность воздуха, загрязненного ими значительно выше, чем у чистого при той же температуре. В результате разбавления, сопровождающегося остыванием, скорость восходящего потока над пламенем снижается по мере подъема. Изначально увлекаемые с потоком теплого воздуха, перемещающиеся за счет диффузии и разбавления все далее от наиболее горячего центра потока, все менее подталкиваемые вверх за счет конвекции, твердые частицы, начинают опускаться. В зависимости от формы и массы, а так же силы ветра, частоты и скорости встречающихся конвекционных потоков, частицы оседают на определенном удалении от источника.

Однако не только газы подвергаются конвекционному подъему. На аналогичных явлениях, имеющих место в жидкостях возможно го

Принцип работы фитильковых осветительных устройств, рассмотрим на примере действия свечи. На рисунке выше показано пламя свечи и указаны основные его области. Пламя свечи разогревает воск (или парафин), который начинает плавиться. Расплавленный воск поднимается по волокнам фитиля, и на определенном его участке испаряется под действием высоких температур, а уже непосредственно пары - воспламеняются. Еще Майкл Фарадей думал о законах природы, не позволяющих пламени прогореть до конца фитиля (опускаться до жидкой фазы). И действительно: пламя свечи зависает на некотором расстоянии от «котла» с воском. Что мешает пламени, опуститься до поверхности расплавленного воска? Ответ: пламя не может распространиться вниз по фитилю, так как его сдерживает жидкий воск, которым пропитана часть фитиля, находящаяся между жидкостью и пламенем. Дело в том, что парафин (и масло), в отличие от бензина и спирта, имеет крупные молекулы, которые обладают малой подвижностью. Поэтому парафин при температуре ниже 70-84°С находится в твердой фазе. Большое количество звеньев в молекуле парафина так же препятствует его быстрому испарению. Температура кипения парафина многократно превышает температуру его плавления. Поэтому, парафин, не разогретый до достаточной температуры, не способен интенсивно испаряться, а значит и гореть. Таким образом, растопившийся, но не испаряющийся парафин блокирует распространение пламени вниз.

4. Экология и горение

С точки зрения экологии, горение отвечает сразу за 3 негативных фактора. Во-первых, чаще всего в качестве окислителя используется кислород воздуха. А в настоящее время, из-за значительного сокращения площадей леса, и чрезмерного расхода воздуха транспортом и промышленностью, есть некоторый риск развития кислородной недостаточности в будущем не столько в глобальном, сколько в локальном масштабе. То есть, в масштабах планеты его достаточно. Но например, недостаточность содержания кислорода, спровоцированное массовым расходом воздуха в металлургических цехах ощущается его рабочими. Известно, что падение концентрации кислорода с 22 до 17% уже сильно сказывается на самочувствии человека и его способности решать те или иные задачи. Очевидно, что если такое падение произойдет в цехе с опасными и ответственными процедурами, неспособность персонала справиться с ситуацией может привести к катастрофическим последствиям.

Во-вторых, помимо золы и углей, все остальные продукты горения - газообразные. Копоть является взвесью мелкодисперсных частиц. В зависимости от источника и мощности секундного выброса копоти, она может оседать в виде мелких гранул сажи в течении нескольких часов. Либо, если мощность копытевыделения значительна, - странствовать и оседать в виде нитевидных образований, иногда хлопьев. Сама по себе копоть не является ядовитым веществом. Это микрогранулы, состоящие из фактически чистого углерода.

Отделение газообразных продуктов горения от остальных компонентов атмосферы - используется редко из-за сложности реализации. То есть, обычно, пройдя очистку от твердых частиц, разогретые газы выходят в атмосферу в виде дыма, накапливаясь в ней.

В-третьих, помимо веществ, непосредственно участвовавших в процессе горения, из-за действия высоких температур, образуется масса побочных продуктов, при чем даже вне пламени. К примеру, при высоких температурах (более 1000°С) происходит окисление азота, а его оксиды - весьма токсичны. В процессе горения сложных веществ, особенно органики, для полного окисления многоатомных молекул, кислорода может попросту не хватать. В результате неполного сгорания молекул жиров, полимеров, углеводородов, происходит образование веществ, не содержавшихся изначально в топливе. В том числе, весьма токсичных. Если молекулы даже горючего вещества не успевают встретиться и провзаимодействовать с молекулами кислорода и других окислителей в зоне высоких температур, то в воздух попадают еще и пары самых разных соединений. В том числе смолы. Вдыхание таких компонентов приводит к тому, что смолы, жиры и их производные оседают в легких, препятствуя попаданию кислорода в кровь. И это самый безобидный случай. Взаимодействуя с влагой в легких, вредные вещества разрушающе влияют на их ткани на локальном уровне. Разумеется, чем больше стаж работы в таких условиях, тем выше шанс подхватить какой-нибудь легочный недуг, вроде бронхиальной астмы. К счастью, легкие имеют механизмы самоочищения, однако некоторые компоненты табачного дыма блокируют их работу.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5