大氣壓下氦氣、 甲烷、 空氣等離子體射流發(fā)射光譜診斷研究

田富超, 陳 雷, 裴 歡, 白潔琪, 曾 文

1. 中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 沈撫示范區(qū), 遼寧 沈陽 113122

2. 沈陽航空航天大學(xué)航空發(fā)動機(jī)學(xué)院, 遼寧 沈陽 110136

引 言

超細(xì)水霧法是煤礦礦井用于抑制瓦斯爆炸的有效方法[1-2]。 在超細(xì)水霧法中, 如何增大水霧的分布范圍、 實(shí)現(xiàn)合理的液滴粒徑分布是超細(xì)水霧研究的重點(diǎn)問題之一。 在液體霧化研究中等離子體輔助霧化是一個全新的霧化方法。 但等離子體中含有的活性粒子反而會降低瓦斯爆炸所需的最小點(diǎn)火能量。 因此, 有必要診斷瓦斯與等離子體的混合氣, 進(jìn)而在具有兩個不同的作用中找到平衡, 實(shí)現(xiàn)等離子體技術(shù)在瓦斯爆炸抑制領(lǐng)域的有效應(yīng)用。

介質(zhì)阻擋放電是產(chǎn)生低溫等離子體的一種很有效的方法[3-6]。 為了探明瓦斯氣體-等離子體射流混合氣中活性粒子的種類及特性, 了解等離子體放電的動力學(xué)過程[7], 本實(shí)驗(yàn)在常壓條件下對氦氣/甲烷-空氣的混合氣放電, 采用光譜診斷分析N2的第二正帶系和He原子發(fā)射譜線, 進(jìn)而獲得了射流的振動溫度和電子激發(fā)溫度, 為等離子體輔助霧化技術(shù)應(yīng)用于瓦斯爆炸抑制提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示, 等離子體發(fā)生器為自主設(shè)計(jì)的針-環(huán)射流裝置, 中心為一個尖狀的紫銅電極, 低壓電極為一串紫銅帶, 絕緣層選用石英玻璃。 光譜儀的光纖探頭固定在等離子體射流徑向距離為10 mm的位置, 光信號由光纖導(dǎo)入。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)工況

氦氣通過氣瓶直接通入到甲烷-空氣混合氣中, 可以減少甲烷之間的鍵能來促進(jìn)電離。 選擇當(dāng)量比為1, 保證了甲烷的充分燃燒。 調(diào)整空氣流量為0.952 L·min-1, 加入甲烷0.1 L·min-1。 經(jīng)過大量的試驗(yàn)分析, 摻混比(氦氣與空氣-甲烷的氣體體積流量比)在8∶1～20∶1范圍內(nèi)摻混效果最好。 控制放電頻率為10 kHz, 放電電壓在10～15 kV范圍內(nèi), 電壓與頻率通過電源的調(diào)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié), 同時也根據(jù)示波器上的讀數(shù)來精準(zhǔn)調(diào)控。 表1所示為本試驗(yàn)具體工況。

表1 試驗(yàn)工況

1.3 診斷方法

目前非接觸式測量主要為光譜診斷法, 可分為發(fā)射光譜診斷法和吸收光譜法[7]。 本文選用原子發(fā)射光譜技術(shù)來診斷, 采用譜線的特征參數(shù), 定性地分析譜線[11-12]。

1.3.1 振動溫度診斷

等離子體振動溫度值大小對等離子體內(nèi)的能量存儲、 轉(zhuǎn)移等過程有著很大的影響[9]。 在發(fā)射光譜中, 雙原子分子帶系的譜帶強(qiáng)度由式(1)確定

Iν′ν″=hcνν′ν″Aν′ν″Nν′

(1)

式(1)中,ν為發(fā)射光子的波數(shù),h為普朗克常數(shù),ν′和ν″分別為上下振動量子數(shù),Aν′ν″為相應(yīng)兩個量子態(tài)間的躍遷幾率,Nν′為上能級量子態(tài)上的分子數(shù)。 在局部熱平衡條件下, 振動量子態(tài)上的粒子數(shù)分布滿足式(2)

Nν′=N0e-Eν′/kTν

(2)

雙原子分子的振動能級ν′的振動能量Eν′為

(3)

式(3)中,ωe、ωexe是雙原子分子對應(yīng)的常數(shù), 由于從第三項(xiàng)開始即為高階小項(xiàng), 因此計(jì)算時只考慮前兩項(xiàng)即可。

(4)

式(4), 中以Eν′為橫坐標(biāo), ln(Iν′ν″/Vν′ν″Aν′ν″)為縱坐標(biāo), 做出玻爾茲曼擬合圖, 采用擬合曲線的斜率可計(jì)算出等離子體振動溫度Tν。

1.3.2 電子激發(fā)溫度

本實(shí)驗(yàn)的等離子體射流可以認(rèn)為處于局部熱力學(xué)平衡(local thermal equilibrium, LTE), 可用玻爾茲曼斜率法診斷電子激發(fā)溫度。 其表達(dá)式為

(5)

式(5)中,gk、Ek表示激發(fā)態(tài)k能級上的統(tǒng)計(jì)權(quán)重和能量,Te為電子激發(fā)溫度,λ為躍遷波長,A為躍遷概率,h為普朗克常數(shù),kB為波耳茲曼常數(shù),c為真空光速,N為粒子密度。

對式(5)兩邊都取對數(shù), 可得

(6)

2 結(jié)果與討論

2.1 射流成分分析

選取峰值電壓15 kV, 摻混比為20∶1的氦氣/甲烷-空氣等離子體射流如圖2所示, 從圖中可以看到He/CH4-空氣等離子體射流呈藍(lán)紫色。

圖2 氦氣/甲烷-空氣等離子體射流

等離子體射流全發(fā)射光譜如圖3所示。 可以看到OH基團(tuán)主要分布在306～312 nm之間, 氮?dú)獾倪B續(xù)譜帶主要集中在320～430 nm之間, 甲烷脫氫后產(chǎn)生的CH基團(tuán)分布在431 nm, He原子分布在300～800 nm之間。 其中N2的第二正帶系產(chǎn)生是由于高能電子與氮?dú)夥肿拥姆菑椥耘鲎? OH基團(tuán)的出現(xiàn)是由于空氣中H2O分子的電離。

圖3 氦氣/甲烷-空氣等離子體射流全發(fā)射光譜

2.2 CH基團(tuán)濃度變化規(guī)律

氦氣/甲烷-空氣等離子體射流中, CH基團(tuán)含量對燃燒的影響最大, 故對CH基團(tuán)隨試驗(yàn)工況的變化進(jìn)行定量探究。 從圖4可以看出, CH基團(tuán)隨峰值電壓升高而增加, 活性粒子主要來自自由電子的非彈性碰撞, 電壓的增加導(dǎo)致微放電通道內(nèi)的電場強(qiáng)度增加, 使通道內(nèi)的非彈性碰撞更加劇烈。 而隨著氦氣摻混比的增加, CH基團(tuán)濃度逐漸降低, 使射流中自由電子及亞穩(wěn)態(tài)氦原子數(shù)量增加, 加速了CH基團(tuán)C—H鍵的斷裂, 因此會出現(xiàn)隨摻混比增加CH基團(tuán)相對光譜強(qiáng)度減小的變化趨勢。

圖4 CH基團(tuán)光譜強(qiáng)度隨試驗(yàn)工況變化趨勢

2.3 振動溫度

采用多譜線斜率法選取N2分子譜線對等離子體振動溫度進(jìn)行計(jì)算, 相關(guān)參數(shù)見表2。 圖5為等離子體射流振動溫度的變化趨勢。 隨著電壓和摻混比的增加, 振動溫度主要呈上升趨勢。 當(dāng)電壓升高時, 電子平均能量增加, 碰撞過程中傳遞給氣體分子的能量也增加, 使得振動溫度升高。 同時, 隨著氣體流量的增加, 射流器內(nèi)部壓強(qiáng)也增大, 電子與中性粒子之間的非彈性碰撞更加頻繁, 也會使得振動溫度升高。

表2 氮分子第二正帶系(C3Πu→B3Πg)的發(fā)射譜線

圖5 不同工況下振動溫度

2.4 電子激發(fā)溫度

混合氣中高能電子主要是由He電離而產(chǎn)生, 因此選擇五條He的譜線進(jìn)行電子激發(fā)溫度的計(jì)算[10], 見表3。

表3 He原子特征譜線參數(shù)

如圖6所示, 在一定的摻混比下, 隨著峰值電壓升高, 激發(fā)溫度呈增加趨勢。 隨峰值電壓的增大, 自由電子獲得的期望能量越大, 導(dǎo)致自由電子的平均動能也增大, 使激發(fā)溫度隨之升高。 峰值電壓保持恒定, 電子激發(fā)溫度隨摻混比的增大而減小。 氣體中氦氣含量增加使得電子與基態(tài)原子的碰撞頻率增加, 電子從電場中獲得期望能量減少, 從而使電子碰撞引起激發(fā)態(tài)原子比例降低。 此外, 隨著氦氣摻量比的增大, 發(fā)生器中的氣體流量增大, 氣流的流動將帶走放電空間的部分熱量, 進(jìn)一步促進(jìn)了電子激發(fā)溫度隨氦氣摻混流量比的增大而減小的變化趨勢。

圖6 不同工況下電子激發(fā)溫度

3 結(jié) 論

為探索將等離子體射流輔助霧化技術(shù)應(yīng)用于抑制瓦斯爆炸的可行性, 在大氣壓條件下采用針-環(huán)式等離子體發(fā)生器對氦氣/甲烷-空氣進(jìn)行了電離。 并對等離子體射流的光譜特性進(jìn)行了診斷與分析。 結(jié)果如下:

(1)射流中活性粒子主要有OH基、 N2的第二正帶系、 CH基團(tuán)、 HeⅠ原子。 增大峰值電壓和氦氣摻混比都可以有效提高等射流中活性基團(tuán)的含量。

(2)隨峰值電壓和摻混比的增加, 等離子體射流的振動溫度呈上升趨勢。

(3)隨著峰值電壓的增加, 等離子體射流的電子激發(fā)溫度總體上有上升的趨勢。 隨氦氣摻混比的增加, 電子激發(fā)溫度降低。