Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

[ О Школе|Лекции|Секция 1|Секция 2|Секция 3|Секция 4|Секция 5|Cодержание |

АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ НАГРЕВА ГАЗА В ПОЛОЖИТЕЛЬНОМ СТОЛБЕ ТЛЕЮЩЕГО РАЗРЯДА В ВОЗДУХЕ

Смирнов С.А., Рыбкин В.В., Титов В.А.

rybkin@icti.ivanovo.su

Ивановский государственный химико-технологический университет

 

Знание каналов распределения энергии внешнего электрического поля по различным степеням свободы представляет интерес как для понимания физики газового разряда, так и для оценок энергетических КПД различных плазмохимических процессов. В данной работе приводится анализ возможных каналов преобразования энергии электронов в поступательную энергию тяжелых частиц в плазме разряда постоянного тока в воздухе. Анализ основывался на совместном численном решении кинетического уравнения Больцмана системы уравнений колебательной кинетики для О2(Х), NO(X) и N2(Х), описывающей e-V, V-V, V-T,V-h процессы и химические реакции с участием колебательно-возбужденных молекул (КВМ), а также системы кинетических уравнений для следующих компонентов плазмы: O2(X3S g, a1D g, b1S g, A3S u), N2(X1S g, A3S u, B3P g, C3P u, a’1S u), O3, NO(X2P ), N(4S, 2P,2D), O(3P, 1D, 1S). Варьируемыми параметрами в расчетах были вероятности гетерогенной гибели атомов N, О, и дезактивации КВМ. Результаты моделирования проверялись сравнением с экспериментальными значениями температуры газа и стенки реактора, эффективной колебательной температуры N2(X1S g), концентрации атомарного кислорода и молекул NO, которые были измерены при давлении 30-300 Па и токе 20-110 мА в стеклянном реакторе диаметром 3 см. Результаты этих измерений и соответствующие методики приведены в работах [1-3]. Сводка процессов, учитываемых в расчетах, представлена в таблице.

№

Процесс

Константа, см3? с-1;с-1; см6? с-1

Скорость, см3? с-1

Порог эВ

Доля энергии в тепло

1

2

3

4

5

6
  N2 + e ® N2(A) + e 1.654Ч10-10 4.858Ч10+16    
  N2 + e ® N2(B) + e 2.473Ч10-10 7.264Ч10+16    
  N2 + e ® N2(a) + e 4.197Ч10-11 1.232Ч10+16    
  N2 + e ® N2(C) + e 1.205Ч10-11 3.540Ч10+15    
  O2 + e ® O2(a) + e 7.251Ч10-10 4.177Ч10+16    
  O2 + e ® O2(b) + e 1.104Ч10-10 6.361Ч10+15    
  N2 + e ® N(4S) +N(4S) + e 5.732Ч10-12 1.684Ч10+15    
  O2(a) + e ® O- + O2 6.575Ч10-11 1.073Ч10+13    
  O2(a) + e ® O2(b) + e 3.193Ч10-10 5.212Ч10+13    
  N(4S) + e ® N(2D) + e 2.823Ч10-09 9.757Ч10+13    
  N(4S) + e ® N(2P) + e 5.200Ч10-10 1.797Ч10+13    
  O2 + e ® O(3P) + O(3P) + e 2.217Ч10-10 1.277Ч10+16

0.98

5.8Ч10-3
  O2 + e ® O(3P) + O(1D) + e 1.013Ч10-10 5.837Ч10+15

1.3

3.5Ч10-3
  O(3P) + e ® O(1D) + e 1.074Ч10-09 2.125Ч10+16    
  O(3P) + e ® O(1S) + e 6.290Ч10-11 1.244Ч10+15    
  O3 + e ® O2 + O + e 6.290Ч10-10 1.846Ч10+10    
  O2 + e ® O- + O(3P) 1.570Ч10-11 9.044Ч10+14    

1

2

3

4

5

6
  O(3P) + N(2P) ® NO+ + e 1.000Ч10-12 6.511Ч10+12    
  O3 + e ® O2- + O(3P) 1.000Ч10-09 2.934Ч10+10    
  O2- + O2(a) ® O2 + O2 + e 2.000Ч10-10 7.735Ч10+08    
  O2- + O2(b) ® O2 +O2 + e 3.600Ч10-10 9.558Ч10+09    
  O2- + N2(A) ® O2 +N2 + e 2.100Ч10-09 5.919Ч10+08    
  O- + O2(a) ® O3 + e 3.000Ч10-10 3.781Ч10+12

0.62

<1Ч10-4
  O- + O2(b) ® O(3P) +O2 + e 6.900Ч10-10 5.970Ч10+13    
  O- + N2(A) ® O(3P) + N2 + e 2.200Ч10-09 2.021Ч10+12    
  O2- + O(3P) ® O3 + e 1.500Ч10-10 7.030Ч10+10

0.6

<1Ч10-4
  O2- + N(4S) ® NO2 + e 5.000Ч10-10 4.095Ч10+08    
  O- + O(3P) ® O2 + e 5.000Ч10-10 7.637Ч10+14    
  O- + N(4S) ® NO + e 2.600Ч10-10 6.940Ч10+11    
  O- + NO ® NO2 + e 2.600Ч10-10 8.530Ч10+13    
  N(4S) + NO ® N2(X,V=11) + O(3P) 2.572Ч10-11 5.730Ч10+01    
  NO + O3 ® O2 + NO2 3.194Ч10-13 1.654Ч10+11

2.07

<1Ч10-4
  N2(A) + O2 ® N2 + O(3P) + O(3P) 2.540Ч10-12 7.231Ч10+15

1.58

5.3Ч10-3
  N2(A) + O(3P) ® NO + N(2D) 2.000Ч10-11 1.955Ч10+16

0.17

1.5Ч10-3
  N2(A) + N2(A) ® N2(C) + N2 2.000Ч10-12 1.176Ч10+12    
  N2(A) + O2 ® N2 + O2(a) 6.000Ч10-12 1.708Ч10+16

5.72

4.5Ч10-2
  N2(A) + N(4S) ® N2 + N(2P) 5.000Ч10-11 8.541Ч10+13

4.3

2.0Ч10-4
  N2(A) + O(3P) ® N2 + O(1S) 2.100Ч10-11 2.053Ч10+16

2.51

2.37Ч10-2
  N2(A) + NO ® N2 + NO 1.100Ч10-10 2.310Ч10+16

6.7

7.13Ч10-2
  N2(B) + N2 ® N2(A) + N2 5.000Ч10-11 3.172Ч10+16

0.65

9.5Ч10-3
  N2(B) ® N2(A) + hn 1.500Ч10+05 5.027Ч10+15    
  N2(B) + NO ® N2(A) + NO 2.400Ч10-10 2.203Ч10+15

0.65

7.0Ч10-4
  N2(B) + O2 ® N2 + O(3P) + O(3P) 3.000Ч10-10 3.733Ч10+16

2.23

3.83Ч10-2
  N2(a) + N2 ® N2(B) + N2 2.000Ч10-13 2.262Ч10+14

1.2

1.0Ч10-4
  N2(a) + O2 ® N2 + O(3P) + O(3P) 2.800Ч10-11 6.211Ч10+15

3.43

9.8Ч10-3
  N2(a) + NO ® N2 + N(4S) + O(3P) 3.600Ч10-10 5.890Ч10+15

1.62

4.4Ч10-3
  N2(C) ® N2(B) + hn 3.000Ч10+07 3.414Ч10+15    
  N2(C) + O2 ® N2 +O(3P) + O(1S) 3.000Ч10-10 1.267Ч10+14

1.72

1.0Ч10-4
  O2(a) + NO ® O2 + NO 2.500Ч10-11 7.203Ч10+16

0.982

3.26Ч10-2
  O2(b) + O3 ® O2 + O2 + O(3P) 1.800Ч10-11 2.459Ч10+12

0.59

<1Ч10-4
  O2(b) + N2 ® O2(a) + N2 3.214Ч10-15 4.395Ч10+15

0.66

1.3Ч10-3
  O2(b) + O2 ® O2(a) + O2 1.338Ч10-15 3.589Ч10+14

0.66

1.0Ч10-4
  O2(b) + O(3P) ® O2(a) + O(3P) 8.000Ч10-14 7.366Ч10+15

0.66

2.2Ч10-3
  O2(b) + O(3P) ® O2 + O(1D) 2.879Ч10-14 2.651Ч10+15

-0.34

  
  O2(b) + NO ® O2(a) + NO 4.000Ч10-14 7.911Ч10+14

0.66

2.0Ч10-4
  O2(A) + O2 ® O2(b) + O2(b) 2.900Ч10-13 4.927Ч10+14

1.22

3.0Ч10-4
  O2(A) + O(3P) ® O2(b) + O(1D) 9.000Ч10-12 5.250Ч10+15

0.88

2.1Ч10-3

1

2

3

4

5

6
  O2(A) + N2 ® O2(b) + N2 3.000Ч10-13 2.599Ч10+15

2.86

3.4Ч10-3
  N(2D) + O2 ® NO + O(3P) 2.121Ч10-12 2.772Ч10+15

5.51

7.0Ч10-3
  N(2D) + O2 ® NO + O(1D) 8.485Ч10-12 1.108Ч10+16

3.53

1.8Ч10-2
  N(2D) + NO ® N2 + O(3P) 6.000Ч10-11 5.783Ч10+15

6.53

1.74Ч10-2
  N(2P) + O2 ® NO + O(3P) 2.600Ч10-12 4.930Ч10+13

4.21

1.0Ч10-4
  N(2P) + NO ® N2(A) + O(3P) 3.400Ч10-11 4.756Ч10+13

-1.47

  
  O(1D) + N2 ® O(3P) + N2 2.151Ч10-11 4.283Ч10+16

1.98

3.91Ч10-2
  O(1D) + O2 ® O(3P) + O2(b) 2.862Ч10-11 1.117Ч10+16

0.34

1.7Ч10-3
  O(1D) + O2 ® O(3P) + O2(X,V) 7.156Ч10-12 2.794Ч10+15    
  O(1D) + NO ® N(4S) + O2 1.700Ч10-10 4.896Ч10+15

0.17

4.0Ч10-4
  O(1S) +O3® O(1D)+O(3P)+O2(X,V) 2.900Ч10-10 6.789Ч10+10

1.17

<1Ч10-4
  O(1S) + O3 ® O2(X,V) + O2(X,V) 2.900Ч10-10 6.789Ч10+10

8.27

<1Ч10-4
  O(1S) + NO ® O(3P) + NO 1.800Ч10-10 6.101Ч10+15

4.19

1.18Ч10-2
  O(1S) + NO ® O(1D) + NO 3.200Ч10-10 1.084Ч10+16

2.21

1.1Ч10-2
  O(1S) + O2(a) ® O(3P) + O2(A) 1.300Ч10-10 1.693Ч10+14

0.67

1.0Ч10-4
  O(1S) + O(3P) ® O(1D) + O(3P) 3.028Ч10-11 4.777Ч10+15

2.21

4.9Ч10-3
  N(4S) + w ® NA 2.461Ч10+00 5.483Ч10+12    
  O(3P) + w ® OA 1.231Ч10+02 1.570Ч10+17    
  O2 + e ® O2(A) + e 1.419Ч10-10 8.172Ч10+15    
  O(3P) + O3 ® O2 + O2(a) 4.327Ч10-13 1.043Ч10+12

3.1

<1Ч10-4
  O2(b) + w ® O2 A 1.423Ч10+02 1.027Ч10+16    
  O2 + e + O2 ® O2- +O2 2.445Ч10-31 5.230Ч10+10    
  O2(a) + O2(X,V=5,6)® 2O2(X,V=5,6) 1.714Ч10+00 1.803Ч10+13    
  e + O2(b) ® O2(a) + e 4.672Ч10-10 5.235Ч10+14    
  e + O2(b) ® O2 + e 4.672Ч10-10 2.500Ч10+12    
  NO + e ® N(4S) + O(3P) + e 3.198Ч10-10 1.359Ч10+15    
  O(3P) + NO + N2 ® NO2 + N2 1.147Ч10-32 7.585Ч10+13    
  N(4S) + O(3P) + N2 ® NO + N2 7.185Ч10-33 4.677Ч10+11    
  O(3P) + NO + O2 ® NO2 + O2 1.150Ч10-32 1.491Ч10+13    
  O(3P) + N2(X,V) ® NO + N(4S) 3.043Ч10-01 3.879Ч10+14    
  N2(A) + w ® N2A 5.824Ч10-02 4.465Ч10+10    

Примечание: O2(a) O2(b) O2(A) N2(A) N2(B) N2(C) N2(a) обозначают состояния a1D g, b1S +g, A3S +u, B3P g, C3P u, a’1S -u, соответственно; w – символ реакции на стенке. Скорости и константы соответствуют условиям E/N = 6.934? 10-16 В? см2 , ток 80 мА, давление 200 Па.

В результате удалось согласовать расчеты с вышеприведенными экспериментальными параметрами в пределах точности последних. Типичные значения вероятностей составили: для атомов О - (1-0.4)10-2, N - 10-4, для КВМ N2 ~ 5? 10-3. Расчет показал (рис.1), что при низких давлениях (малых удельных мощностях) нагрев газа в основном обусловлен теплом химических реакций, а по мере увеличения давления соизмеримый вклад начинают давать процессы превращения колебательной энергии (преимущественно запасенной в N2(Х)) в поступательную. Нагрев стенки реактора главным образом связан с процессами гетерогенной рекомбинации атомов О и дезактивации КВМ азота (рис.2).

Рис.1 Доля энергии, расходуемая электронами на нагрев газа. Точки - эксперимент при токах разряда 20 (1), 50(2), 80 (3) и 110 мА (4); линии – расчет: 5 - суммарная доля,

6 – через химические реакции, 7 - в V-T, 8 - в V-V процессах .

Рис.2. Доли энергии, выделяющиеся на стенке реактора при рекомбинации атомарного кислорода (1) и дезактивации КВМ азота (2)

Литература

  1. Рыбкин В.В., Титов В.А., Кувалдина Е.В., Смирнов С.А. // Химия высоких энергий, 1997, т.31, №2, с. 149.
  2. Рыбкин В.В., Титов В.А., Смирнов С.А. // Химия высоких энергий, 1997, т.31, №5, с. 389.
  3. Рыбкин В.В., Смирнов С.А., Титов В.А., Кувалдина Е.В. // Химия высоких энергий, 1998, т.32, №2, с. 139.

[ О Школе|Лекции|Секция 1|Секция 2|Секция 3|Секция 4|Секция 5|Cодержание |