1.1. Caracteristicile câmpului electric
Caracteristicile principale ale câmpului electric sunt [1,12-18]:
- modul de variaţie a inducţiei acestuia în timp (câmpuri staţionare sau electrostatice, câmpuri alternative: impulsive, sinusoidale, de frecvenţă joasă, medie, înaltă şi supraînaltă);
- repartiţia câmpului în zona de acţiune (câmpuri omogene şi neomogene, unidimensionale, bidimensionale şi tridimensionale);
- orientarea şi configuraţia câmpului în raport cu obiectul asupra căruia este aplicat (câmpuri longitudinale; câmpuri transversale; câmpuri radiale; câmpuri plan-paralele, toroidale etc.);
- intensitatea câmpului care determină mărimea forţei motrice asupra sarcinii electrice (câmpuri substrăpungătoare, câmpuri străpungătoare, câmpuri suprastrăpungătoare, câmpuri de joasă, medie şi înaltă intensitate).
După sursa care generează câmpul se deosebesc câmpuri generate de sarcini electrice staţionare şi câmpuri generate de curenţi de sarcini electrice (câmpuri de descărcare corona, câmpuri de descărcare în arc etc.).
Parametrii principali ai câmpului electric sunt intensitatea sau amplitudinea intensităţii , frecvenţa , gradientul pătratului intensităţii care caracterizează gradul de neomogenitate a acestuia, densitatea curentului în câmpurile de descărcare corona sau în arc.
În funcţie de scopul urmărit, în procesele de formare a amestecului combustibil-comburant şi la arderea acestuia, pot fi aplicate câmpuri electrice staţionare şi alternative, omogene şi neomogene, longitudinale, transversale sau radiale, în regimuri de descărcare corona şi în arc sau în lipsa curentului în circuit (câmpul electrostatic). Spre exemplu, la ionizarea mediului electroconductibil se folosesc, de regulă, câmpuri electrostatice care asigură încărcarea mediului prin inducţie. În cazul mediului dielectric (gaze, aer, combustibil lichid) este preferabilă aplicarea unui câmp de descărcare corona care asigură ionizarea acestuia din contul produselor încărcate ale descărcării. Câmpurile alternative, sunt, în mod obişnuit, aplicate la localizarea mişcării particulelor încărcate în regim autooscilant într-un spaţiu limitat pentru realizarea proceselor de vaporizare, aglomerare sau amestecare. În câmpuri alternative sunt asigurate şi multe alte efecte legate de oscilaţiile ionilor şi a moleculelor neutre de la poziţia de echilibru termodinamic.
Intensitatea câmpurilor neomogene este maximă, de regulă, în zonele de concentrare maximă a liniilor de forţă. Aceasta asigură ionizarea locală a mediului în zonă cu intensitatea maximă şi împrăştierea sarcinilor electrice în zonele cu intensitate mai redusă. Câmpurile omogene se aplică prioritar asupra mediului deja ionizat pentru a asigura omogenitatea şi regularitatea dinamică prestabilită a proceselor interelectrodice.
La utilizarea efectelor de încălzire de tip Joule se folosesc câmpurile de descărcare, în special, de descărcare în arc.
Diversificarea fenomenelor care pot fi iniţiate în sistemele încărcate este posibilă şi prin aplicarea câmpurilor magnetice [2]: în combinaţie cu alte câmpuri fizice (în primul rând, cu cele electrice) sau fără acestea.
1.2. Mecanisme de încărcare a particulelor fazei disperse şi de ionizare a fazei continuie ale amestecului combustibil-comburant
În practică se folosesc trei principii de încărcare a particulelor:
1) prin sedimentare pe suprafeţele acestora a ionilor din faza gazoasă [1-9,18];
2) prin inducţie electrostatică [1,10,11];
3) prin electrizare mecanică, chimică sau termică [1,11].
Mai frecvent se utilizează încărcarea particulelor prin sedimentarea ionilor. Sursa de ioni este, de regulă, descărcarea corona, însă, în principiu, pot fi folosite şi descărcările lente şi în arc, radiaţia ionizantă (röentgen, radioactivă) etc.
1.2.1. Încărcarea particulelor şi ionizarea gazelor în câmpul de descărcare corona
Încărcarea şi ionizarea în câmpul electric de descărcare corona este una din cele mai utilizate metode de electrizare.
La ionizarea atomului (sau moleculei) se consumă lucrul de ionizare împotriva forţelor de interacţiune dintre electronul smuls de forţele exterioare şi restul particulelor atomului (sau moleculei) ; depinde de de natura chimică a gazului şi de starea energetică pe care o avea electronul în atom (sau moleculă) până la ruperea din acesta; creşte cu creşterea multiplului de ionizare, adică a numărului de electroni smulşi din atom.
1.4. Caracteristicile plasmei de descărcare în gaze
În plasma de descărcare în gaze, particulele încărcate care intră în componenţa acesteia se găsesc permanent într-un cămp electric accelerator. Energiei cinetice medii a electronilor în plasma de descărcare în gaze îi corespunde o temperatură determinată a repartiţiei maxwelliene a electronilor după energii, care se numeşte temperatură electronilor . Ea are un sens condiţionat, deoarece în plasma neizotermică de descărcare în gaze nu există echilibru termodinamic. Energia cinetică medie a electronilor în plasma de descărcare în gaze depăşeşte substanţial energia medie a particulelor neutre ale plasmei.
Starea plasmei neizotermice de descărcare în gaze este susţinută din contul energiei curentului de descărcare care trece prin plasmă. Dacă câmpul electric exterior dispare, atunci dispare şi plasma de descărcare în gaze. Dispariţia plasmei de descărcare în gaze după deconectarea câmpului exterior se numeşte deionizare a gazului. În bilanţul de energie a plasmei, create într-un spaţiu limitat, împreună cu procesele de ionizare şi recombinare care au loc în spaţiul de descărcare, rolul decisiv îi revine interacţiunii plasmei cu pereţii delimitatori, inclusiv radiaţia plasmei şi transferul în ea a radiaţiei. Difuzia particulelor încărcate spre peretii delimitatori şi recombinarea lor pe suprafeţele acestora, transmisia energiei pereţilor prin conducţie termică reduc energia plasmei şi o poluează cu diverse impurităţi. Pentru evitarea acestor procese plasma este reţinută de contactul cu pereţii delimitatori cu ajutorul câmpului magnetic.
Parametrii plasmei de descărcare în gaze sunt: temperatura electronilor , concentraţia electronilor , numărul de ionizări care revin unui electron în 1 s, densitatea curentului de ioni sau de electroni pe pereţii delimitatori (electrozi) , intensitatea cămpului electric .
În cămpurile de descărcare corona în gaze principalii parametri electrofizici au valorile: = 10…50 kV/cm; = 10-6…10-2 A/m2; mobilitatea ionilor: pozitivi = (0,31…0,97).10-4 m2/V.s , negativi = 1,8.10-4 m2/V.s; kV/cm2; raza particulelor încărcate 10-10…10-4 m; permitivitatea dielectrică: a gazului 1, a materialului particulei încărcate = 2…81; constanta dielectrică = 8,85.10-12 F/m; concentraţia particulelor încărcate = 104…1011 m-3; distanţa dintre electrozi pentru tensiuni pâna la 50 kV, = 1…5 cm.
CUPRINS
REZUMAT…………………………………………………………………...…2
INTRODUCERE……………………………………………………………….3
CAPITOLUL 1. NOŢIUNI INTRODUCTIVE………………………….…..6
1.1. Caracteristicile câmpului electric………………………………………...6
1.2. Mecanisme de încărcare a particulelor fazei disperse şi de ionizare
a fazei continuie ale amestecului combustibil-comburant…….…………8
1.2.1. Încărcarea particulelor şi ionizarea gazelor în câmpul de
descărcare corona……………………..……………………………..9
1.2.2. Încărcarea prin inducţie electrostatică…………….………………..13
1.3. Metode de studiu a câmpurilor electrice cu sarcină spaţială……………15
1.4. Caracteristicile plasmei de descărcare în gaze………………………….17
Bibliografie la capitolul 1………………………………………………………19
CAPITOLUL 2. ACŢIUNEA CÂMPURILOR ELECTRICE ŞI
MAGNETICE ASUPRA FLĂCĂRII……………………………………..20
2.1. Observaţii introductive………………………….………………………21
2.2. Mecanisme de interacţiune a flăcării cu câmpul electric………….…….24
2.3. Intensificarea schimbului de căldură la arderea în câmp electric….……37
Bibliografie la capitolul 2……………………………..………………………..40
CAPITOLUL 3. ÎNCERCĂRI ŞI REALIZĂRI PRACTICE ALE
PROCESELOR DE ARDERE ÎN CÂMPURI LECTRICE…………….39
3.1. Modificarea geometriei flăcării sub acţiunea câmpului electric….……..43
3.2. Influenţa câmpului electric asupra cineticii de ardere a
combustibilului………………………………….………………………44
3.3. Stabilizarea flăcării în câmp electric……………………………………44
3.4. Reglarea automată în utilajele termoenergetice bazată pe ionizarea
flăcării………………………………………………………………..….45
3.5. Reţinerea particulelor solide antrenate la evacuarea gazelor din
spaţiul de lucru al cuptoarelor sub acţiunea câmpului electric……….…45
3.6. Arzătoare electrochimice………………………………………………..46
3.7. Arderea flăcărilor difuzive…………………...…………………………46
3.8. Intensificarea procesului de ardere prin recircularea electrică a
produselor de ardere…………………………………………….………48
Bibliografie la capitolul 3………………………………………………………50
CAPITOLUL 4. STUDIU EXPERIMENTAL AL PROCESULUI DE
ARDERE A GAZELOR COMBUSTIBILE ÎN CÂMP ELECTRIC…...51
4.1. Observaţii introductive………………………………………………….57
4.2. Descrierea instalaţiei experimentale……….……………………………58
4.3. Metodologia de lucru…………………………………..………………..61
4.4. Aparatura de măsură şi control utilizată………………..……………….62
4.5. Rezultatele experimentale şi interpretarea acestora……….……………64
4.6. Eficienţa economică şi impactul asupra mediului……………...……….73
Bibliografie la capitolul 4……………………...……………………………….75
CAPITOLUL 5. APLICAŢIE PRACTICĂ…………………………………83
5.1. Conceperea şi realizarea modelelor experimentale de preparare a
amestecului aer-combustibil în câmp electric înainte de ardere……...…73
5.2. Metodologia realizării măsurătorilor……………………………………73
CONCLUZII………………………………...………………88
