多孔泡沫陶瓷中預(yù)混火焰燃燒速率的試驗(yàn)研究

1、多孔泡沫陶瓷中預(yù)混火焰燃燒速率的試驗(yàn)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(xué)'與括'燒性靛950017多孔泡沫陶瓷中預(yù)混火焰燃燒速率的試驗(yàn)研究一丑襲錦華(南京理工大學(xué))摘要MatthewgRD(美國(guó)得克薩斯大學(xué))/.1R),TAfS",本文對(duì)在多孔泡沫陶瓷中的甲烷空氣預(yù)混燃燒的燃建特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,用一專燃燒的可燃穩(wěn)定上下界限也有相應(yīng)擴(kuò)大關(guān)鍵詞:預(yù)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(guó)家自然科學(xué)基盤資助工程*中國(guó),南京,郵犏210014燃燒科學(xué)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(qiáng)和控制氣相火焰中傳熱傳質(zhì)過(guò)程的特性.7O年代和8O年代初,主要有Takeno等人對(duì)"超焓火焰"(Excessenthalpyflam

4、e)T研究.后來(lái),Echigo等人又提出了"輻射控制火焰"(Radiationcontrolledflame)0,作出了單步化學(xué)反響的數(shù)學(xué)模型.,而ChenY,HsuP和MatthewsR等人又相繼提出輻射多步化學(xué)反響模型,同時(shí)還進(jìn)行了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究.另外,Sathe和Tong等人也對(duì)多孔介質(zhì)輻射燃燒器進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研.究,還有其他一些研究者也對(duì)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(shuō)明,處于火焰中的多L介質(zhì),無(wú)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?xì)饧訜岷?能夠形成比氣相介質(zhì)強(qiáng)得多的熱輻射,這就能太大增強(qiáng)燒反響的熱能

5、通過(guò)燃?xì)饬髋c多孔介質(zhì)間的高效對(duì)流換熱,轉(zhuǎn)換成固體介質(zhì)的強(qiáng)熱輻射,向上游進(jìn)行熱反響.熱回流的增強(qiáng)傳熱和化學(xué)反響的循環(huán),就形成了預(yù)混火焰在多孔介質(zhì)中的獨(dú)特燃燒性能,與一般的自由燃燒火焰(火焰中無(wú)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(guò)相應(yīng)的絕熱火焰溫度;燃燒穩(wěn)定性太大增強(qiáng);可燃性極限擴(kuò)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(guò)去的研究主要囿于理論研究.在實(shí)驗(yàn)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(duì)輻射管或蜂窩陶瓷燃燒

6、器的研究,但泡沫陶瓷在預(yù)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(jì)的燃燒器中進(jìn)行多燃燒參數(shù)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn),得到了不同情況下預(yù)混燃燒速率"隨甲烷/空氣當(dāng)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(shí)際應(yīng)用提供了依據(jù).1實(shí)驗(yàn)裝置示.燃燒器主要由能使燃?xì)夂涂諝獾靡猿浞只旌系念A(yù)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(dòng)過(guò)程中經(jīng)眾多不規(guī)那么縫隙通道流動(dòng)而相互整流,呈層流態(tài)進(jìn)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(diǎn)火燃燒時(shí)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(shí)驗(yàn)?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(yù)混火焰燃饒速率的試驗(yàn)研究供氣系統(tǒng)有空氣源和燃?xì)庠磧删植?空氣源應(yīng)能保證有壓強(qiáng)恒定,流量充足的空氣供給.本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)小型壓縮機(jī)先將空氣壓到一貯氣罐內(nèi),在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中再通過(guò)適時(shí)加壓和管路的制式罐裝純潔CH氣體,用適當(dāng)?shù)墓苈泛驼{(diào)節(jié)閥與裝置相連.本實(shí)驗(yàn)研究主要集中于測(cè)定在各種不同條件下,多孔陶瓷中預(yù)混火焰的燃燒速率.因此,測(cè)量控制系統(tǒng)只包括氣體流量計(jì)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(diǎn)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(dāng)減少燃?xì)夂袜?多孔升質(zhì)燃燒裝置示意圍相等,到達(dá)火焰反響區(qū)向下推進(jìn)與未燃混合氣向上流動(dòng)的動(dòng)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(jì)算出相應(yīng)條件下的燃燒速率"2實(shí)驗(yàn)條件實(shí)驗(yàn)燃料為甲烷.實(shí)驗(yàn)燃燒管為耐熱石英管,內(nèi)徑30ram,內(nèi)裝泡沫陶瓷柱體長(zhǎng)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(dǎo)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(dǎo)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(shí)驗(yàn)時(shí)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(jì)算不同當(dāng)量比時(shí)相應(yīng)的燃?xì)夂涂諝獾牧髁?當(dāng)=1時(shí),甲烷/空氣量符合化學(xué)計(jì)量比,甲小,燃?xì)夤┙o量越缺乏,空氣過(guò)剩量越大.反之,>1那么是燃?xì)膺^(guò)剩,在實(shí)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(duì)于無(wú)多孔介質(zhì)存在的情況.當(dāng)有多孔介質(zhì)存在時(shí),所需空氣將增加假設(shè)干倍.由于所測(cè)燃速是未知的,可參考已有資料和以往用液化石油氣測(cè)定的結(jié)果,繪制成一定當(dāng)量比時(shí)的燃?xì)夂涂諝怆S總流量(相當(dāng)于燃燒速度)變化的曲線,供實(shí)驗(yàn)時(shí)調(diào)節(jié)兩者流量時(shí)查用

10、.計(jì)算燃燒速率時(shí),將所需空氣量加上燃?xì)饬康玫交旌蠚怏w的總體積流量Q,除以燃燒管通燃燒科學(xué)與技術(shù)第l卷第2期道面積,就可算得氣體的流速,.當(dāng)火焰在一定位置上一定時(shí)間(本實(shí)驗(yàn)要求至少保持5分鐘)內(nèi)穩(wěn)定不動(dòng),這時(shí)的氣流速率就作為所對(duì)應(yīng)當(dāng)量比條件下的燃燒速率.但由于多孔介質(zhì)中預(yù)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(shí),范圍的平均值.本實(shí)驗(yàn)是在室溫為1825條件下完成的.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論按照上述方法,對(duì)兩種材質(zhì),三種孔型尺寸,在一系列當(dāng)量比條件下進(jìn)行了測(cè)試擅整理繪制出相應(yīng)的燃燒速率一當(dāng)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(wú)多孔介質(zhì)存在時(shí)的甲烷/空氣預(yù)混

11、氣自由燃燒的燃燒速率當(dāng)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(guò)比照可清楚地看出各曲線具有類似的變化趨勢(shì)(即在=1左右燃燒速率最高,偏離1時(shí),燃燒速率下降,離得越遠(yuǎn),下降得越多).多孔介質(zhì)的存在顯著地提高了預(yù)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(guò)10.同時(shí)由圖23也可看出多孔介質(zhì)材料和孔型尺寸對(duì)預(yù)混火焰燃燒特性也有很大影響.E*倒鬟當(dāng)量比圍2A120陶瓷"一曲線*制蜒當(dāng)量比圉3A12O3+CrzO3陶瓷一曲線由圖2和圖3可見,對(duì)于本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的三種孔型尺寸,大孔(1.3mm)的燃燒速率最高,驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)明,對(duì)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(duì)上游預(yù)熱區(qū)較遠(yuǎn)的范圍內(nèi)產(chǎn)生作用,從而影響整個(gè)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(yù)混火焰燃燒速率的試驗(yàn)研究燒速率高.其主要原因在于氧化鋁陶瓷的導(dǎo)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(duì)流熱交換,從而增強(qiáng)了向上游預(yù)熱區(qū)的傳熱和熱反響,提高了燃燒反響的強(qiáng)度.衰1不同材質(zhì)時(shí)的燃燒速率數(shù)據(jù).Iu(cm/s)40i85118144179J165143i1370注:o為無(wú)多孔舟質(zhì)時(shí)的

13、預(yù)混火焰燃燒速率.數(shù)據(jù)根據(jù)文獻(xiàn)_g整理.本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度在7之內(nèi)另外,從實(shí)驗(yàn)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(yù)混燃燒與無(wú)多孔介質(zhì)的自由預(yù)混燃燒相比,其可燃上下極限均有較大擴(kuò)充,特別是貧燃下限更為突出.本實(shí)驗(yàn)當(dāng)一0.35左右,有多孔介質(zhì)時(shí),還可得到穩(wěn)定燃燒的火焰,而無(wú)多孔介質(zhì)的自由燃燒了.由于在貧燃下限附近,空氣過(guò)量系數(shù)大,燃燒溫度低,因此實(shí)驗(yàn)燃燒器的熱損失大,這就的實(shí)驗(yàn)裝置的絕熱保溫性能還不很理想,如能進(jìn)一步改善保溫措施,減少熱損失,可望穩(wěn)定燃燃極限的擴(kuò)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(duì)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(dāng)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(yù)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(duì)提高燃速的影響程度有所不同.導(dǎo)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(duì)遠(yuǎn)離化學(xué)計(jì)量比時(shí)的燃燒速度的影響比正當(dāng)或接近化學(xué)計(jì)量比(中一1)時(shí)的影響更加顯著;對(duì)貧燃(中<1)區(qū)的影響比對(duì)富燃(中>1)區(qū)的影響較為顯著.?134?燃燒科學(xué)與技術(shù)第1卷第0期參考文

15、獻(xiàn)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(yù)混火焰.畢東工學(xué)院.1989,(8)7SatheS.TongT.etalAnNumericalAnatysisoCombu