實(shí)驗(yàn)五 水煤漿滴的燃燒特性

1、實(shí)驗(yàn)五 水煤漿滴的燃燒一、水煤漿應(yīng)用背景 石油資源的緊缺使我國相當(dāng)一部分燃油爐的燃料發(fā)生困難。由于水煤漿與液體燃料在許多方面有相似之處，以水煤漿代替液體燃料的研究得到廣泛重視，取得了很大的進(jìn)展。在煤粉中加入一定比例的水和少量表面活性劑制成的水煤漿有許多特點(diǎn)。它可以象石油一樣用管道輸送，只需改動(dòng)燃油爐的某些部件，如有水煤漿噴嘴就可在油爐中燃燒。由于含有水分，燃爐中火焰溫度較低，保護(hù)了熱部件，同時(shí)降低了污染等。近十年來，有關(guān)水煤漿燃燒的工業(yè)性實(shí)驗(yàn)和基礎(chǔ)研究取得了一批重要成果。使人們對(duì)這種代用燃料的特性有了一定的認(rèn)識(shí)。畢竟水煤漿是一種兩相非牛頓流體，與純液體燃料有區(qū)別。目前的研究成果表明，水煤漿滴的

2、燃燒過程大致可以分為以下四個(gè)階段（見圖81）：v 水煤漿滴的加熱（OA）。這一階段漿滴溫度上升，水份也同時(shí)蒸發(fā)。 T（K） D E C A B O T（SEC）圖11水煤漿滴燃燒特性曲線v 水份蒸發(fā)（AB）。漿滴溫度上升到A點(diǎn)后，水份繼續(xù)蒸發(fā)，但液滴保持不變，這是漿滴溫度為水的飽和溫度，即液體蒸發(fā)時(shí)的濕球溫度。v 煤粒揮發(fā)分析出并燃燒（BD）。水份蒸發(fā)后煤漿滴呈多孔狀干球，溫度繼續(xù)上升；先是揮發(fā)份析出，達(dá)到一定濃度后開始著火（C點(diǎn)），溫度繼續(xù)上升，直到揮發(fā)份燃盡（D點(diǎn)）。v 固體炭的著火和燃燒（DE）。揮發(fā)份燃盡時(shí)，炭粒溫度已經(jīng)相當(dāng)高，足以使固定炭著火，溫度急劇上升，然后有較長(zhǎng)的穩(wěn)定燃燒過程，

3、直至固定炭燃盡（E點(diǎn)）。E點(diǎn)以后出現(xiàn)熄火現(xiàn)象，漿滴溫度迅速下降。從O點(diǎn)到E點(diǎn)所需的時(shí)間即為水煤漿滴的燃盡時(shí)間。二、實(shí)驗(yàn)原理 實(shí)驗(yàn)采用人工黑體作熱環(huán)境，將水煤漿滴掛在熱電偶上，記錄漿滴初始直徑，并描繪出燃燒過程中漿滴溫度隨時(shí)間的變化曲線，由此計(jì)算漿滴的燃盡時(shí)間。 1、水份蒸發(fā)時(shí)漿滴平衡溫度的計(jì)算 由液滴蒸發(fā)理論可知，平衡蒸發(fā)時(shí)，水蒸汽的質(zhì)量流率可由氣相組分方程和連續(xù)方程求得： （1）式中（OD）為混氣的密度與擴(kuò)散系數(shù)乘積，為滴的半徑，為蒸發(fā)的質(zhì)傳遞函數(shù)。Yw，s，Yw，¥分別為表面和無窮遠(yuǎn)處水蒸汽的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)。假定Yw，¥=0，則上式可簡(jiǎn)化為 （2）另一方面，由能量守恒方程可

4、知， （3）式中l(wèi)，分別為混氣的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱， （4）為蒸發(fā)的熱傳遞數(shù)，Ts，T¥分別為表面溫度和環(huán)境溫度。為水的蒸發(fā)潛熱。當(dāng) 時(shí)，有廣義雷諾比擬， 即 （5）平衡蒸發(fā)時(shí)，水蒸汽表面分壓遵守Clausius-Claperon方程， 式中為水蒸汽的莫爾百分?jǐn)?shù)。P為系統(tǒng)壓力，為參數(shù)壓力下的液體沸點(diǎn)。通常參數(shù)壓力取為1大氣壓，則上式為 （6）由，結(jié)合狀態(tài)方程，可得到 （7）式中分別為空氣，水蒸汽的氣體常數(shù)以及通用氣體常數(shù)。由（5），（6），（7）聯(lián)立，可求得漿滴平衡蒸發(fā)溫度。 （8）上式取P=1大氣壓，由（8）可知，<，又由于<<，因此接近，且僅為的函數(shù)。（8）式計(jì)算參

5、數(shù)：=273.2K，=8.314J/gmol·k，=0.287J/g·k，=0.462J/g·k，=44.46kJ/gmol·k（273k），根據(jù)查表求得（取空氣值）。 2、用最小二乘法擬合曲線 水煤漿滴直徑與燃盡時(shí)間t假定滿足以下關(guān)系： （9）K、n為待定常數(shù)，（9）式兩邊取對(duì)數(shù)得到 （10）由最小二乘法原理可知，為了擬合實(shí)驗(yàn)點(diǎn)的最佳曲線，誤差的平方和 （11）應(yīng)為最小。于是上式對(duì)n和K的偏導(dǎo)數(shù)均應(yīng)為零，經(jīng)整理得到 （12） （13）求解方程（12），（13）得到 （14） （15） 5 6 7 4 3 1 2 220V 圖12實(shí)驗(yàn)裝置原理圖式中為對(duì)所

6、有實(shí)驗(yàn)值求和，N為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)，至少取10個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備與燃料1) 精密自動(dòng)交流調(diào)壓穩(wěn)壓器。2) 函數(shù)記錄儀。3) UJ36電位差計(jì)或萬用表。4) 人工黑體。5) 鎳鉻鎳硅熱電偶及支架。6) 調(diào)壓器。7) 貧煤（或煤）水煤漿。8) 暗室及沖洗設(shè)備。9) 讀數(shù)顯微鏡。四、實(shí)驗(yàn)步驟1. 配制水煤漿，貧煤摻水量為3035%，褐煤為4045%。2. 按實(shí)驗(yàn)原理圖12接通線路，檢查各儀器工作是否正常，函數(shù)記錄儀處于非工作狀態(tài)。3. 接通電路，調(diào)節(jié)調(diào)壓器電壓（不超過25V），對(duì)人工黑體進(jìn)行緩慢加熱，大約10分鐘后，溫度開始穩(wěn)定?？捎秒娢徊钣?jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、待溫度穩(wěn)定后，讀出電位差計(jì)毫伏數(shù)，對(duì)照電壓溫度對(duì)應(yīng)關(guān)

7、系表，查出溫度即為環(huán)境溫度（K）。4. 用玻璃棒將水煤漿滴掛接在熱電偶絲結(jié)點(diǎn)上。用照相機(jī)拍下漿滴直徑（選用光圈2，速度1/15），用背景燈。5. 使函數(shù)記錄儀處于工作狀態(tài)（選擇量程5mv/cm，走紙速度10秒/cm）。自動(dòng)筆開始移動(dòng)，小心地將水煤漿滴移入人工黑體內(nèi)燃燒。函數(shù)記錄儀記錄下漿滴溫度隨時(shí)間的變化。6. 溫度開始下降后，自動(dòng)筆抬起，函數(shù)記錄儀停止工作。待燃燒完畢后，將殘?jiān)瞥鋈斯ず隗w，用小鑷子輕輕地將灰渣夾出。必須特別仔細(xì)，以免損壞熱電偶。7. 用大小不同的漿滴，重復(fù)步驟46，至少做十次。8. 切斷各電源，清理現(xiàn)場(chǎng)。9. 在暗室或用暗袋和沖洗罐沖洗膠卷，掛起涼干。10. 在讀數(shù)顯微鏡下讀出漿滴初始直徑，可讀兩個(gè)互相垂直的直徑，然后取平均值。同時(shí)對(duì)照記錄紙順序，確定各次實(shí)驗(yàn)的漿滴燃盡時(shí)間。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1. 根據(jù)環(huán)境溫度，查表求得。用迭代法計(jì)算（8）式中水份蒸發(fā)時(shí)的平衡溫度理論值。與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行比較，計(jì)算相對(duì)誤差。2. 用最小二乘法擬合曲線，求出（9）式的待定系數(shù)n和K。寫出擬合公式（9）的表達(dá)式。