多孔泡沫陶瓷中預混火焰燃燒速率的試驗研究

1、多孔泡沫陶瓷中預混火焰燃燒速率的試驗研究.f瑪一第1卷(1995)第2期J0uRNAL0F囂sT抖ION孔舌發(fā).賄,弓燙蹉囔學'與括'燒性靛950017多孔泡沫陶瓷中預混火焰燃燒速率的試驗研究一丑襲錦華(南京理工大學)摘要MatthewgRD(美國得克薩斯大學)/.1R),TAfS",本文對在多孔泡沫陶瓷中的甲烷空氣預混燃燒的燃建特性進行了實驗研究,用一專燃燒的可燃穩(wěn)定上下界限也有相應(yīng)擴大關(guān)鍵詞:預混燃燒,燃燒器,多孔介質(zhì)ExperimentalStudyofPremixedBurningRatewithinPorousCeramicsLnZhaohuaSunSich

2、engPeiJinhua(NaniingUniversityofScience&Technology)MatthewsRD(UniversityofTexasatAustin,U.S.A.)AbstractAnexperimentalstudyofpremixedmethaneaircombustionW&Sconductedontheburningspectiveiy.TheresultsshowedthatburningspeedsweTewellinexcessoftheLaminnr,freenamespeeds,andwereaffectedbymat

3、ermlpropertiesandporesizes.Thesthilitylimitsinequiwdenceratiowereextendedascomparedtothoseofthefreefkmewithoutporousmed/a.KeywordslPremixedcombustion,Burner,Porousmedia?國家自然科學基盤資助工程*中國,南京,郵犏210014燃燒科學與技術(shù)第1卷第2期引言要是由于多孔介質(zhì)能顯著增強和控制氣相火焰中傳熱傳質(zhì)過程的特性.7O年代和8O年代初,主要有Takeno等人對"超焓火焰"(Excessenthalpyflam

4、e)T研究.后來,Echigo等人又提出了"輻射控制火焰"(Radiationcontrolledflame)0,作出了單步化學反響的數(shù)學模型.,而ChenY,HsuP和MatthewsR等人又相繼提出輻射多步化學反響模型,同時還進行了相應(yīng)的實驗研究.另外,Sathe和Tong等人也對多孔介質(zhì)輻射燃燒器進行了理論和實驗研.究,還有其他一些研究者也對多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)作了多方面的研究.這些研究成果均說明,處于火焰中的多L介質(zhì),無論是陶瓷管束,還是固體顆?；蚯蝮w組成的多L體系,或是泡沫狀的多孔介質(zhì),它們被高溫燃氣加熱后,能夠形成比氣相介質(zhì)強得多的熱輻射,這就能太大增強燒反響的熱能

5、通過燃氣流與多孔介質(zhì)間的高效對流換熱,轉(zhuǎn)換成固體介質(zhì)的強熱輻射,向上游進行熱反響.熱回流的增強傳熱和化學反響的循環(huán),就形成了預混火焰在多孔介質(zhì)中的獨特燃燒性能,與一般的自由燃燒火焰(火焰中無固體介質(zhì))相比,其主要差異為高得多的燃燒速率;燃燒反響醫(yī)的火焰溫度可超過相應(yīng)的絕熱火焰溫度;燃燒穩(wěn)定性太大增強;可燃性極限擴大.這不僅可使大流率,低熱值燃料在多孔介質(zhì)燃燒器中穩(wěn)定正常燃燒,而且還能使燃燒器的容積熱流輸出率成倍增加.在一定條件下,還能減少N和CO的排放量.過去的研究主要囿于理論研究.在實驗方面,雖有Takeno等的管柬火焰穩(wěn)定器,Sathe等的陶瓷纖維燃燒器以及其他研究者對輻射管或蜂窩陶瓷燃燒

6、器的研究,但泡沫陶瓷在預瓷和AJzOs+crzOa陶瓷)和不同孔型尺寸(孔徑0.5ram,0.9mm和13ram)的多孔陶瓷在專門設(shè)計的燃燒器中進行多燃燒參數(shù)的系統(tǒng)實驗,得到了不同情況下預混燃燒速率"隨甲烷/空氣當量比變化的曲線比擬充分地反映了影響燃速的各種因素,為深入的理論研究和實際應(yīng)用提供了依據(jù).1實驗裝置示.燃燒器主要由能使燃氣和空氣得以充分混合的預混室和裝有多L陶瓷柱的燃燒管組成.球體和大孔徑泡沫陶瓷碎塊,使氣體在向上流動過程中經(jīng)眾多不規(guī)那么縫隙通道流動而相互整流,呈層流態(tài)進入燃燒管.在燃燒管中,泡沫陶瓷柱體外緊套著一透明耐熱石英管,在點火燃燒時能夠清楚地觀察到火焰狀況.為了

7、盡量減少管內(nèi)火焰及燃燒產(chǎn)物的熱量散失,使實驗?zāi)芙咏诮^熱燃燒條件,管外包有一層絕熱礦棉,僅留一條縱向窄縫觀察火焰的變化.1995年5月呂兆華等:多孔泡沫陶瓷中預混火焰燃饒速率的試驗研究供氣系統(tǒng)有空氣源和燃氣源兩局部,空氣源應(yīng)能保證有壓強恒定,流量充足的空氣供給.本實驗是通過小型壓縮機先將空氣壓到一貯氣罐內(nèi),在實驗過程中再通過適時加壓和管路的制式罐裝純潔CH氣體,用適當?shù)墓苈泛驼{(diào)節(jié)閥與裝置相連.本實驗研究主要集中于測定在各種不同條件下,多孔陶瓷中預混火焰的燃燒速率.因此,測量控制系統(tǒng)只包括氣體流量計和各管路的調(diào)一定的條件下,首先設(shè)法使燃燒火焰區(qū)從點火的燃燒器出口引入燃燒管中,然后使高溫妖眼的火焰

8、區(qū)穩(wěn)定停留在燃燒管中部,這需要按火焰向上漂移,趨向脫火,那么應(yīng)適當減少燃氣和圉1多孔升質(zhì)燃燒裝置示意圍相等,到達火焰反響區(qū)向下推進與未燃混合氣向上流動的動態(tài)平衡.在這種平衡狀態(tài)下,可根據(jù)混合氣的總流量Q計算出相應(yīng)條件下的燃燒速率"2實驗條件實驗燃料為甲烷.實驗燃燒管為耐熱石英管,內(nèi)徑30ram,內(nèi)裝泡沫陶瓷柱體長為180ram左右.泡沫陶瓷材質(zhì)有兩種,一是純氧化鋁(含A1O在95以上),導熱系數(shù)約為10W/(m?K);二是含氧化鉻的氧化鋁陶瓷(含CrO.10左右),其導熱系數(shù)約為6W/(m?K).每種陶陶瓷柱體與石英管內(nèi)壁同的間隙要盡量小,使同一橫截面內(nèi)各處的流速均勻一致.實驗時需要

9、根據(jù)甲烷/空氣燃燒反響方程:CH.+2(O2+3.764N2)/=CO2+2H2O+(2/一2)O2+7.528N2(1)計算不同當量比時相應(yīng)的燃氣和空氣的流量.當=1時,甲烷/空氣量符合化學計量比,甲小,燃氣供給量越缺乏,空氣過剩量越大.反之,>1那么是燃氣過剩,在實際應(yīng)用中是不希望出0.31.6,所需理論空氣量為V=9.528/m.空氣/m甲烷,這是對于無多孔介質(zhì)存在的情況.當有多孔介質(zhì)存在時,所需空氣將增加假設(shè)干倍.由于所測燃速是未知的,可參考已有資料和以往用液化石油氣測定的結(jié)果,繪制成一定當量比時的燃氣和空氣隨總流量(相當于燃燒速度)變化的曲線,供實驗時調(diào)節(jié)兩者流量時查用

10、.計算燃燒速率時,將所需空氣量加上燃氣量得到混合氣體的總體積流量Q,除以燃燒管通燃燒科學與技術(shù)第l卷第2期道面積,就可算得氣體的流速,.當火焰在一定位置上一定時間(本實驗要求至少保持5分鐘)內(nèi)穩(wěn)定不動,這時的氣流速率就作為所對應(yīng)當量比條件下的燃燒速率.但由于多孔介質(zhì)中預混火焰具有穩(wěn)定范圍大的特性,往往氣流速率在一定范圍內(nèi)變化時,范圍的平均值.本實驗是在室溫為1825條件下完成的.3實驗結(jié)果與討論按照上述方法,對兩種材質(zhì),三種孔型尺寸,在一系列當量比條件下進行了測試擅整理繪制出相應(yīng)的燃燒速率一當量比(一)變化曲線.圖2和圖3分別為氧化鋁陶瓷(A1zOa)和含氧線為無多孔介質(zhì)存在時的甲烷/空氣預混

11、氣自由燃燒的燃燒速率當量比(一中)曲線,它是根據(jù)資料9中有關(guān)數(shù)據(jù)整理而得的.通過比照可清楚地看出各曲線具有類似的變化趨勢(即在=1左右燃燒速率最高,偏離1時,燃燒速率下降,離得越遠,下降得越多).多孔介質(zhì)的存在顯著地提高了預混火焰的燃燒速率.在靠近可燃下限(=0.4)附近,提高最為顯著,許多情況下.比超過10.同時由圖23也可看出多孔介質(zhì)材料和孔型尺寸對預混火焰燃燒特性也有很大影響.E*倒鬟當量比圍2A120陶瓷"一曲線*制蜒當量比圉3A12O3+CrzO3陶瓷一曲線由圖2和圖3可見,對于本實驗測試的三種孔型尺寸,大孔(1.3mm)的燃燒速率最高,驗數(shù)據(jù)說明,對同一材質(zhì),大孔泡沫較小

12、孔泡沫其熱輻射衰減系數(shù)為小,因此在火焰反響區(qū)的高溫輻射能對上游預熱區(qū)較遠的范圍內(nèi)產(chǎn)生作用,從而影響整個的火焰特性.以發(fā)現(xiàn),純氧化鋁(AIO)陶瓷材料的燃燒速率要比含氧化鉻(AIzOs+Cr.Oa)的陶瓷材料的燃1995年5月呂兆華等多孔泡沫陶瓷中預混火焰燃燒速率的試驗研究燒速率高.其主要原因在于氧化鋁陶瓷的導熱系數(shù)較高,且外表輻射率也比含氧化鉻的紫色陶瓷大一些.即純氧化鋁陶瓷的泡沫狀網(wǎng)絡(luò)十分有利于高溫區(qū)的對流熱交換,從而增強了向上游預熱區(qū)的傳熱和熱反響,提高了燃燒反響的強度.衰1不同材質(zhì)時的燃燒速率數(shù)據(jù).Iu(cm/s)40i85118144179J165143i1370注:o為無多孔舟質(zhì)時的

13、預混火焰燃燒速率.數(shù)據(jù)根據(jù)文獻_g整理.本實驗數(shù)據(jù)精度在7之內(nèi)另外,從實驗現(xiàn)象和所得的燃燒速率曲線中可明顯地觀察到,有多孔介質(zhì)的預混燃燒與無多孔介質(zhì)的自由預混燃燒相比,其可燃上下極限均有較大擴充,特別是貧燃下限更為突出.本實驗當一0.35左右,有多孔介質(zhì)時,還可得到穩(wěn)定燃燒的火焰,而無多孔介質(zhì)的自由燃燒了.由于在貧燃下限附近,空氣過量系數(shù)大,燃燒溫度低,因此實驗燃燒器的熱損失大,這就的實驗裝置的絕熱保溫性能還不很理想,如能進一步改善保溫措施,減少熱損失,可望穩(wěn)定燃燃極限的擴大,特別是貧燃下限的延伸,有利于增大燃料穩(wěn)定的燃燒范圍,對于開發(fā)低熱值燃料的應(yīng)用提供了條件.4結(jié)論g瞢鍘矗;垂當量比圖4A

14、I20陶瓷與A120,_c2O3陶瓷比照曲線(1)多孔泡沫陶瓷介質(zhì)在預混火焰燃燒器中能夠顯著增大可燃界限,提高燃燒速率和火焰溫度.(2)不同材質(zhì)的多孔泡沫陶瓷對提高燃速的影響程度有所不同.導熱系數(shù)高,外表輻射率大的材質(zhì)提高燃速的作用較大.(3)相同材質(zhì)不同孔徑尺寸的多孔陶瓷介質(zhì)提高燃速的效果不同.一定范圍內(nèi),大孔徑多孔介質(zhì)因其輻射衰減系數(shù)較小而提高燃速的效果較好.(4)多孔介質(zhì)的存在對遠離化學計量比時的燃燒速度的影響比正當或接近化學計量比(中一1)時的影響更加顯著;對貧燃(中<1)區(qū)的影響比對富燃(中>1)區(qū)的影響較為顯著.?134?燃燒科學與技術(shù)第1卷第0期參考文

15、獻848KotanY.BehbahaniHEandTakenoT.AnExcessEnthapyFiameCombustorforExtendedFlowRanges.20thSypos(Intern)onCombustionPittsbur:1984.208820883EchJgoR,e*ta_Aaa.vticalandExperimentalStudies00.RadiativePropagationinPorousMediawithInternaHeatGeneration.Proceedingsof8thInternationalH髓tTransforC0nference,SonFracisco,1986,28278824yoshizawaY,SasakiKandEcbigoR.AayticaStuthetructureofRediatioaControlledFlames.5ChenK,MetthewsRDandHowellJRTheEliotofRadiation0nC0【bustion"MthiaHightyPorousMaterials.ASMEHTD81.198735428呂兆華,MatthewsRtHowe1J.多孔陶瓷材料中的預混火焰.畢東工學院.1989,(8)7SatheS.TongT.etalAnNumericalAnatysisoCombu