田富超, 陳 雷, 裴 歡, 白潔琪, 曾 文

1. 中煤科工集團沈陽研究院有限公司煤礦安全技術國家重點實驗室, 沈撫示范區(qū), 遼寧 沈陽 113122

2. 沈陽航空航天大學航空發(fā)動機學院, 遼寧 沈陽 110136

引 言

超細水霧法是煤礦礦井用于抑制瓦斯爆炸的有效方法[1-2]。 在超細水霧法中, 如何增大水霧的分布范圍、 實現合理的液滴粒徑分布是超細水霧研究的重點問題之一。 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火能量。 因此, 有必要診斷瓦斯與等離子體的混合氣, 進而在具有兩個不同的作用中找到平衡, 實現等離子體技術在瓦斯爆炸抑制領域的有效應用。

介質阻擋放電是產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過程[7], 本實驗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應用于瓦斯爆炸抑制提供依據。

1 實驗部分

1.1 裝置

試驗系統如圖1所示, 等離子體發(fā)生器為自主設計的針-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, 光信號由光纖導入。

圖1 試驗裝置示意圖

1.2 試驗工況

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電離。 選擇當量比為1, 保證了甲烷的充分燃燒。 調整空氣流量為0.952 L·min-1, 加入甲烷0.1 L·min-1。 經過大量的試驗分析, 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, 電壓與頻率通過電源的調壓器進行調節(jié), 同時也根據示波器上的讀數來精準調控。 表1所示為本試驗具體工況。

表1 試驗工況

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)射光譜技術來診斷, 采用譜線的特征參數, 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的能量存儲、 轉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,h為普朗克常數,ν′和ν″分別為上下振動量子數,Aν′ν″為相應兩個量子態(tài)間的躍遷幾率,Nν′為上能級量子態(tài)上的分子數。 在局部熱平衡條件下, 振動量子態(tài)上的粒子數分布滿足式(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是雙原子分子對應的常數, 由于從第三項開始即為高階小項, 因此計算時只考慮前兩項即可。

(4)

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

1.3.2 電子激發(fā)溫度

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

(5)

式(5)中,gk、Ek表示激發(fā)態(tài)k能級上的統計權重和能量,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,kB為波耳茲曼常數,c為真空光速,N為粒子密度。

對式(5)兩邊都取對數, 可得

(6)

2 結果與討論

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基團主要分布在306～312 nm之間, 氮氣的連續(xù)譜帶主要集中在320～430 nm之間, 甲烷脫氫后產生的CH基團分布在431 nm, He原子分布在300～800 nm之間。 其中N2的第二正帶系產生是由于高能電子與氮氣分子的非彈性碰撞, OH基團的出現是由于空氣中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基團濃度變化規(guī)律

氦氣/甲烷-空氣等離子體射流中, CH基團含量對燃燒的影響最大, 故對CH基團隨試驗工況的變化進行定量探究。 從圖4可以看出, CH基團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, 電壓的增加導致微放電通道內的電場強度增加, 使通道內的非彈性碰撞更加劇烈。 而隨著氦氣摻混比的增加, CH基團濃度逐漸降低, 使射流中自由電子及亞穩(wěn)態(tài)氦原子數量增加, 加速了CH基團C—H鍵的斷裂, 因此會出現隨摻混比增加CH基團相對光譜強度減小的變化趨勢。

圖4 CH基團光譜強度隨試驗工況變化趨勢

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行計算, 相關參數見表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, 射流器內部壓強也增大, 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電離而產生, 因此選擇五條He的譜線進行電子激發(fā)溫度的計算[10], 見表3。

表3 He原子特征譜線參數

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, 進一步促進了電子激發(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 論

為探索將等離子體射流輔助霧化技術應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-空氣進行了電離。 并對等離子體射流的光譜特性進行了診斷與分析。 結果如下:

(1)射流中活性粒子主要有OH基、 N2的第二正帶系、 CH基團、 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。