А.М., Старик, О.Н. Фаворский,
г. Москва, Центральный институт авиационного моторостроения
В последнее время значительное внимание уделяется исследованию возможностей интенсификации процессов горения при использовании плазмохимических методов. Это активация реагирующих систем при возбуждении внутренних степеней свободы молекул, инициирование ион-молекулярных и ион-атомарных реакций и, наконец, образование в смеси активных атомов и радикалов при фотодиссоциации вследствие воздействия ультрафиолетового излучения. Одним из наиболее перспективных с точки зрения воздействия на процесс горения и в то же время наименее энергоемким является, по-видимому, селективное возбуждение колебательных степеней свободы молекул, участвующих в химических реакциях. Возможность активного влияния колебательного возбуждения молекул на протекание химических реакций обусловлена тем, что колебательная энергия намного эффективнее поступательной и вращательной энергии в преодолении барьеров эндоэргических реакций.
В данном сообщении обсуждается метод управления процессами воспламенения и горения газовых смесей, основанный на интенсификации цепного механизма горения путем возбуждения колебательных и электронных степеней свободы реагирующих молекул. Возбуждение молекулярных колебаний и электронных состояний атомов и молекул с высокой эффективностью реализуется в электрическом разряде тепловыми электронами с энергией 0,2-2 эВ, при селективном возбуждении лазерным излучением, при протекании реакций фотодиссоциации под действием солнечного УФ излучения, при протекании хемолюминесцентных реакций и в целом ряде других явлений. Этот метод позволяет при небольших энергетических затратах на возбуждение внутренних степеней свободы молекул существенным образом уменьшить температуру самовоспламенения, увеличить при этом эффективность сжигания топлива, изменить динамические и временные характеристики процесса горения. Возбуждение молекул на определенной стадии горения и интенсификация реакций, обратных реакциям окисления может изменить выход экологически опасных компонентов, например, NO, NO2. Возбуждение молекулярных колебаний реагентов при сверхзвуковом горении предварительно перемешанной смеси или при горении за фронтом ударной волны приводит к существенному (до 10 раз) сокращению длины зоны горения и увеличению полноты сгорания, а, следовательно, к значительному сокращению габаритов сверхзвуковых камер сгорания.
Возбуждение электронных степеней свободы молекул также приводит к снижению барьера эндоэргических реакций. Так предварительная активация молекулярного кислорода в электрическом разряде приводит к появлению в смеси электронно-возбужденных молекул O2(a1Dg), атомов O и озона. Присутствие этих компонентов в смеси H2+O2 даже в небольшом количестве (~1% по концентрации) в значительной степени интенсифицирует наработку активных атомов O, H и радикалов OH, HO2 (возникают новые каналы их наработки) и увеличивает скорость цепных реакций. При этом в сотни раз ускоряется процесс горения. Такая активация молекулярного кислорода приводит к сокращению длины зоны горения в сверхзвуковом потоке за ударной волной в 103 раз и при начальной температуре всего 440 К (предельная температура воспламенения обычной смеси H2+O2 составляет ~550К) не превышает нескольких метров.
Данный метод управления процессами горения имеет исключительно широкую область применения. Это авиация и ракетная техника: авиационные газотурбинные, прямоточные и гиперзвуковые двигатели; энергоустановки, использующие газообразное или газифицированное топливо; металлургия; двигатели внутреннего сгорания; химическая технология.
Значительный технический и экономический эффект от внедрения данного метода обусловлен уменьшением длины камер сгорания авиационных двигателей, а следовательно весогабаритных характеристик, увеличением полноты сгорания, снижением расхода топлива, улучшением экологических характеристик энергоустановок.
Работа поддержана РФФИ (грант №99-02-18494).