Combustion of polymers in the electrostatic field

Abstract

The paper presents the results of the experimental study of the influence of an external electrostatic field on the mass burning rate and flame temperature of PMMA, SKD-2, SKN-26, SKMS-30, SKEPT localized in different parts of the combustion zone.

Full text

Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3(41) 2013 г.
222
УДК 662.612.3
ГОРЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
© 2013 С. М. Решетников, А. П. Позолотин, И. А. Зырянов
Вятский государственный университет
Представлены результаты экспериментального исследования влияния внешнего электростатиче-
ского поля на массовую скорость горения и температуру пламени полиметилметакрилата (ПММА), бу-
тадиен-нитрильного каучука (СКН-26), бутадиен-стирольного каучука (СКМС-30), этиленпропиленового
каучука (СКЭПТ), полибутадиенового каучука (СКД-2), локализованного в разных участках зоны горе-
ния.
Горение, электрическое поле, полимеры.
Проблема управления макрокинети-
ческими параметрами горения (скорость,
температура горения, полнота сгорания)
углеводородных топлив является важной
технической задачей, для решения кото-
рой применяются различные методы.
Наиболее распространенными являются
механические (установка в камеры сгора-
ния дополнительных конструктивных
элементов) и химические (введение в со-
став топлива и окислителя различных до-
бавок). Однако существуют и менее раз-
работанные методы управления процес-
сами горения в энергетических установ-
ках с помощью физических полей (элек-
трических, магнитных, электромагнит-
ных, акустических и т.д.) [1–3]. В литера-
туре приводятся результаты исследований
горения газовых топлив в электрических
полях [1–5], менее изученными остаются
конденсированные вещества, в частности,
полимеры, которые используются как свя-
зующие в смесевых твёрдых ракетных
топливах, выступают в качестве топлив
для гибридных ракетных двигателей
(ГРД) и в качестве «жертвенных» покры-
тий космических летательных аппаратов
[6–7]. Применение электрических полей
для управления горением конденсирован-
ных веществ затруднено из-за отсутствия
систематических исследований.
В работе [8] исследовано распро-
странение пламени по поверхности поли-
мера во встречном потоке окислителя в
радиальном переменном электрическом
поле. Линейная скорость распространения
пламени увеличивается с ростом напря-
жения, а потом наблюдается её уменьше-
ние [8]. Экстремальная зависимость ско-
рости распространения объясняется дей-
ствием ионного ветра на пламя. Авторами
[9] изучено влияние поперечного электри-
ческого поля на процесс горения полиме-
ров ПММА и СКН-40T. Согласно пред-
ставленным данным [9] электрическое по-
ле увеличивает массовую скорость горе-
ния ПММА на 120% и СКН-40Т на 180%,
максимальную температуру пламени для
ПММА на 14%, СКН-40Т на 18%. Полу-
ченные результаты объяснены в свете
влияния электрического поля на кинетику
химических реакций. Электрическое поле,
созданное по схеме электрод-кольцо, при
положительном электроде увеличивает
период индукции воспламенения полиме-
тилметакрилата, полистирола, полиэтиле-
на высокого и низкого давления и умень-
шает при отрицательном потенциале на
электроде [10–11]. В [12] исследовано го-
рение самозатухающих материалов на ос-
нове полистирола в продольном поле: ав-
торами установлено, что поле способству-
ет улучшению процесса горения. Объяс-
нение механизма воздействия поля на го-
рение авторами сводится к рассмотрению
процессов в пламени. В [8,12] результаты
объяснены с позиции возникновения в
пламени ионного ветра. В [9–11] отмеча-
ется влияние поля на кинетику химиче-
ских реакций. Однако в [1] авторами по-

Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3(41) 2013 г.
223
казано существование обоих механизмов
воздействия при горении газовых топлив.
При объяснении авторы не учитывают
влияние поля на процессы, протекающие
в к-фазе полимера, для жидких углеводо-
родных топлив это влияние необходимо
учитывать [13].
Горение гибридного топлива −
сложный физико-химический процесс,
включающий в себя протекание процесса
горения в диффузионном и кинетическом
режимах [7]. Сгорание топлива происхо-
дит в основном за счет диффузионного
режима, который в самом простейшем
случае реализуется при торцевом горении.
Преимуществом электростатического
управления процессом горения является
то, что создаваемое поле почти не требует
затрат энергии на его поддержание.
Исходя из вышеотмеченного, в ра-
боте поставлена задача: получение зако-
номерностей влияния электростатическо-
го поля на макропараметры горения с це-
лью построения системы знаний о меха-
низмах воздействия.
В качестве предметов исследования
выбраны: полиметилметакрилат (ПММА),
бутадиен-нитрильный каучук (СКН-26),
бутадиен-стирольный каучук (СКМС-30),
этиленпропиленовый каучук (СКЭПТ),
полибутадиеновый каучук (СКД-2).
Экспериментальная установка
включает в себя: горелку, установленную
на весы ВСЛ-200/0,1, источник высокого
напряжения HCP 35-35000, сетчатые элек-
троды размерами (12*12 мм), микротер-
мопару диаметром 60 мкм, плату сбора
данных PCI 1802H, компьютер, фотокаме-
ру Сanon SX200IS и видеокамеру Panaso-
nic HDC-TM10 [14].
Электростатическое поле создаётся
между сетчатыми электродами, располо-
женными на расстоянии 6 см, согласно
схеме рис.1.
а б в
Рис.1 Схемы расположения электродов
Условно зону горения можно разде-
лить на зону газофазных реакций и к–
фазу. Для исследования процессов, проте-
кающих в пламени, электроды располага-
ются согласно рис.1, а, б. Чтобы отделить
процессы, протекающие при горении в к-
фазе, электроды располагаются согласно
рис.1, в.
Массовая скорость горения полиме-
ра измеряется непрерывным взвешивани-
ем образца. Метод подробно описан в
[14]. Относительная погрешность метода
не превышает 12%. Температура пламени
измеряется при помощи хромель-
алюмелевой микротермопары диаметром
60 мкм.
В поперечном электростатическом
поле, созданном согласно рис.1, а, пламя
ПММА, СКЭПТ отклоняется к отрица-
тельному электроду рис.2, а, а СКД-2,
СКН-26, СКМС-30 разделяется на две
чётко выраженные зоны, одна из которых
отклоняется к аноду, другая к катоду
(рис.2, б).

Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3(41) 2013 г.
224
а б
Рис.2. Фотографии пламени ПММА и СКД-2 в поперечном электростатическом поле
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
050 100 150 200
ПММА
СКД-2
СКМС-30
СКЭПТ
СКН-26
ПММА (работа [9])
СКН-40Т(работа [9])
0
•• mm
кВ/м E,
Рис.3. Зависимость относительной скорости горения полимеров
от напряжённости поперечного электростатического поля
1000
1050
1100
1150
1200
1250
050 100 150
ПММА
СКД-2
СКМС-30
СКЭПТ
СКН-26
KTm,
кВ/м E,
Рис.4. Зависимость максимальной температуры пламени от напряжённости поля
Е, кВ/м
Е, кВ/м

Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3(41) 2013 г.
225
Массовая скорость горения и мак-
симальная температура пламени в попе-
речном электростатическом поле возрас-
тают (рис.3 и 4). Это свидетельствует об
увеличении полноты сгорания полимера.
Наложение электрического поля при
схемах электродов рис.1, б и в требует
учёта направления поля. Так, при воздей-
ствии поля, направленного по потоку го-
рючего, здесь и далее обозначим его -
↑↑E
r
, пламя ПММА и СКЭПТ становится
консуообразным [16]. Для СКД-2, СКМС-
30, СКН-26 изменение геометрии не
наблюдается. При обратном направлении
поле направлено к поверхности топлива и
обозначено - ↑↓E
r
, пламя ПММА и
СКЭПТ приобретает форму полусферы,
высота пламени снижается [16].
Массовая скорость горения в ↑↑E
r
возрастает для всех исследуемых полиме-
ров кроме СКД-2 (рис. 5). При обратном
направлении поля скорость уменьшается
для ПММА и СКЭПТ и увеличивается для
СКД-2, СКМС-30, СКН-26 (рис. 5). Мак-
симальная температура пламени для всех
полимеров в ↑↑E
r
возрастает, а в ↑↓E
r
снижается (рис. 6) для ПММА и СКЭПТ.
0,5
0,7
0,9
1,1
1,3
1,5
1,7
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
ПММА
СКД-2
СКМС-30
СКЭПТ
СКН-26
0
•• mm
кВ/м E,
Рис.5. Зависимость относительной скорости горения полимеров
от напряжённости поля, локализованного в области факела
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350
-150 -100 -50 0 50 100 150
ПММА
СКД-2
СКМС-30
СКЭПТ
СКН-26
KTm
,
кВ/м E,
Рис.6. Зависимость максимальной температуры пламени от напряжённости поля
Е, кВ/м
Е, кВ/м

Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3(41) 2013 г.
226
Для поля, наложенного интегрально
на всю зону горения (см. рис.1, в), изме-
нение геометрии пламени аналогично
воздействию на факел ↑↑E
r
, изменение
скорости горения происходит аналогично
полю, локализованному в области факела
(рис.7).
Существенное влияние обнаружено
в ↑↓E
r
, пламя ПММА и СКЭПТ прижи-
мается к поверхности к-фазы. Для СКД-2,
СКН-26, СКМС-30 наблюдается переход
горения в пульсационный режим, для ко-
торого характерны колебания пламени и
резкое увеличение скорости горения
(рис. 7).
Температура пламени возрастает для
всех горючих вне зависимости от направ-
ления поля (рис. 8).
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200
ПММА
СКД-2
СКМС-30
СКЭПТ
СКН-26
0
••
mm
кВ/м E,
Рис.7. Зависимость относительной скорости горения полимеров
от напряжённости поля, наложенного интегрально
1000
1050
1100
1150
1200
1250
1300
1350
-150 -100 -50 0 50 100 150
ПММА
СКД-2
СКМС-30
СКЭПТ
СКН-26
KT
m
,
кВ/м E,
Рис.8. Зависимость максимальной температуры пламени от напряжённости поля
Под действием массовых сил проис-
ходит разделение заряженных частиц
пламени СКД-2, СКН-26, СКМС-30 на две
зоны (см. рис. 2) [17]. Отклонение ПММА
и СКЭПТ к отрицательному электроду
свидетельствует о преобладании положи-
тельно заряженных частиц в пламени, что
характерно для свечеобразного пламени
газов и жидкостей [13, 15]. Полученные
изменения скорости горения и температу-
ры пламени для ПММА хорошо согласу-
ются с работой [9] в исследуемом интер-
вале напряжённостей (см. рис. 3, а). Уве-
личение температуры пламени подтвер-
Е, кВ/м
Е, кВ/м

Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3(41) 2013 г.
227
ждает воздействие поля на кинетику хи-
мических реакций в пламени [9, 18]. Дей-
ствие массовых сил со стороны поля при-
ближает горячие зоны к поверхности к-
фазы [15], увеличивая величину теплового
потока, что приводит к росту массовой
скорости горения. Аналогичные явления
наблюдаются для случая рис.1, б, в. Одна-
ко в случае пульсационного горения про-
являются эффекты, описанные в [19]. Со-
гласно данным [19] жидкий расплав по-
лимера находится в метастабильном со-
стоянии, при повышении темпов нагрева
которого наблюдается взрывное вскипа-
ние. Метастабильное состояние может
быть реализовано путём других внешних
воздействий, например, изменения по-
верхностного натяжения под действием
электростатического поля [20], заменой
процесса испарения взрывным кипением
[13].
Таким образом, влияние электроста-
тического поля на макропараметры горе-
ния полимеров зависит от ионизационных
процессов в пламени и расположения сет-
чатых электродов в зоне горения. Для по-
лимеров, имеющих две заряженные зоны
в пламени, наблюдается увеличение ско-
рости горения. Для ПММА и СКЭПТ из-
менение скорости горения зависит от ме-
ста наложения поля на зону горения. Воз-
можный механизм воздейсвия поля на го-
рение заключается в появлении массовых
сил и изменении химических реакций в
пламени. Режим пульсационного горения
СКД-2, СКН-26, СКМС-30 обусловлен
переходом расплава полимера в метаста-
бильное состояние, которое сопровожда-
ется диспергированием.
Библиографический список
1. Степанов, Е.М. Ионизация в
пламени и электрическое поле [Текст] /
Е.М. Степанов, Б.Г. Дьячков. – М.: Ме-
таллургия, 1968. – 311 с.
2. Афанасьев, В.В. Диагностика и
управление устойчивостью горения в ка-
мерах сгорания энергетических установок
[Текст] / В.В. Афанасьев, Н.И. Кидин. –
М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008. – 176 с.
3. Кидин, Н.И. Влияние внешних
электромагнитных полей на процессы го-
рения [Электронный ресурс] / Н.И. Кидин.
– Режим доступа: http://www.ism.ac.ni/sgv/
rtf/l 21 .rt.
4. Лаутон, Д. Электрические ас-
пекты горения [Текст] / Д. Лаутон, Ф.
Вайнберг; пер. с англ.; под ред. В. А. По-
пова. – М.: Энергия, 1976. – 296 с.
5. Третьяков, П.К. Воздействие ла-
зерным излучением и электрическим по-
лем на горение углеводородовоздушных
смесей / П.К.Третьяков, А.В.Тупикин,
В.Н.Зудов // Новосибирск: Физика горе-
ния и взрыва. – 2009. – Т.45. – №4. – С.
22–25.
6. Алемасов, В.Е. Теория ракетных
двигателей [Текст] / В.Е. Алемасов, А.Ф.
Дрегалин, А.П. Тишин. – М.: Машино-
строение, 1989. – 464 с.
7. Процессы в гибридных ракет-
ных двигателях [Текст] / [А.М. Губертов и
др.]; под. ред. А.С. Коротаева. – М.:
Наука, 2008. – 405 с.
8. Влияние электрического поля на
распространение пламени по поверхности
твердого материала [Текст] / [А.Ф. Панте-
леев и др.] // Физика горения и взрыва. –
1992. – №3. – С. 39–41.
9. Влияние электрического поля на
процесс горения конденсированных си-
стем [Текст] / [А.А. Подвальный и др.] //
Физика горения и методы её исследова-
ния. – 1975. – Вып. 5. - С. 81–86.
10. Мукашева, А.К. Эксперимен-
тальное исследование электрофизики вы-
сокомолекулярных соединений с наложе-
нием электрического поля [Текст] / А.К
Мукашева // Тез. докл. XV науч.-теоретич.
конф. профессорско-преподавательского
состава научных работников и аспирантов
КерГУ. – Караганда, 1990. – 74 с.
11. Мукашева, А.К. Электрофизиче-
ские явления, возникающие при горении
высокомолекулярных соединений [Текст]
/ А.К. Мукашева, В.Л. Сториченко // Вли-
яние переноса в сложных многокомпо-

Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3(41) 2013 г.
228
нентных системах: сб. науч. тр. – Кара-
ганда, 1990. – С. 128-131.
12. Влияние электрического поля на
горение самозатухающих материалов на
основе полистиролов [Текст] / [С.Н. Коле-
вов и др.] // Электрофизика горения. –
1983. – С. 37.
13. Решетников, С.М. Влияние
электростатического поля на макрокине-
тику горения алканов и керосина [Текст] /
С.М. Решетников, И.А. Зырянов // Вестн.
КГТУ. – Казань. – 2011. – №1. – С. 120–
128. 14. Решетников, С.М. Определение
скорости горения полимеров в электро-
статическом поле методом непрерывного
взвешивания [Электронный ресурс] /С.М.
Решетников, А.П. Позолотин // Общество,
наука, инновации (НТК-2012): ежегод.
открыт. всерос. науч.-техн. конф., 18-29
апр. 2012.: сб. материалов / Вят. гос. ун-т;
отв. ред. С.Г. Литвинец. – Киров, 2012. - 1
электрон. опт. диск (CD-ROM) / (Электро-
технический факультет. Секция "Физика и
теплотехника". Статья № 2.
15. Решетников, С.М. Влияние
электрического поля на структуру диффу-
зионного пламени при различных коэф-
фициентах избытка окислителя [Текст] /
С.М. Решетников, А.С. Бобров, И.А. Зы-
рянов // Изв. вузов. Авиационная техника.
– Казань. – 2010. – №2. – С. 59–62.
16. Зырянов, И.А. Горение конден-
сированных веществ в электростатиче-
ском поле [Текст] / И. А. Зырянов, А.П.
Позолотин // Вестн. СГАУ. – Самара. –
2011. – №5(29). – С. 104–107.
17. Anbarafshan, R. Flames in hori-
zontal electric field, deviation and oscillation
[Text] / R. Anbarafshan, H. Azizinaghsh, R.
M. Namin // IYTP. – 2011. – N3. – P. 20-30.
18. Ламинарное пропановоздушное
пламя в слабом электрическом поле
[Текст] / [П.К. Третьяков и др.] // Физика
горения и взрыва. – 2012. – Т.48. – №2. –
С. 9–14.
19. Шленский, О.Ф. Режимы горе-
ния материалов [Текст] / О.Ф. Шленский,
В.С. Сиренко, В.А. Егорова. – М.: Маши-
ностроение, 2011. – 220 с.
20. Савиных, Б.В. Свойства перено-
са диэлектрических жидкостей и тепло-
массообмен в электрических полях
[Текст] / Б.В. Савиных, Ф.М. Гумеров. –
Казань: Фэн, 2002.– 384 с.
COMBUSTION OF POLYMERS IN THE ELECTROSTATIC FIELD
© 2013 S. M. Reshetnikov, A. P. Pozolotin, I. A. Zyryanov
Vyatka State University
The paper presents the results of the experimental study of the influence of an external electrostatic field
on the mass burning rate and flame temperature of PMMA, SKD-2, SKN-26, SKMS-30, SKEPT localized in
different parts of the combustion zone.
Combustion, electric field, polymers.
Информация об авторах
Решетников Станислав Михайлович, доктор технических наук, профессор,
Вятский государственный университет. E-mail: rsm@e-kirov.ru. Область научных инте-
ресов: макрокинетика горения конденсированных веществ, влияние внешних физиче-
ских полей на параметры горения углеводородных топлив.

Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета №3(41) 2013 г.
229
Позолотин Александр Павлович, аспирант, Вятский государственный универ-
ситет. E-mail: firewcross@mail.ru. Область научных интересов: горение полимеров, вли-
яние внешних электрических полей на горение.
Зырянов Илья Андреевич, кандидат технических наук, Вятский государствен-
ный университет. E-mail: b185@mail.ru. Область научных интересов: макрокинетика
горения конденсированных веществ, влияние внешних электрических полей на горе-
ние.
Reshetnikov Stanislav Miкhailovich, doctor of technical science, professor of the
physics department, Vyatka State University. E-mail: rsm@e-kirov.ru. Area of research:
macrokinetics of combustion of condensed substances, influence of external physical fields on
the combustion parameters of hydrocarbon fuels.
Pozolotin Alexander Pavlovich, postgraduate student, Vyatka State University. E-
mail: firewcross@mail.ru. Area of research: combustion of polymers, influence of external
electric fields on combustion.
Zyryanov Ilya Andreevich, candidate of technical science, Vyatka State University. E-
mail: b185@mail.ru. Area of research: macrokinetics of combustion of condensed substances,
influence of external electric fields on combustion.