甲烷-空气预混火焰稳定特性的实验研究.pdf

第2 期 2 0 1 3 年4 月 内燃机 I n t e r n a lC o m b u s t io nE n g in e s N o 2 A p r 2 0 1 3 甲烷一空气预混火焰稳定特性的实验研究 张伟 龙江涛 刘洋 重庆通信学院 重庆4 0 0 0 3 5 摘要 基于本生灯实验 测试分析了甲烷一空气预混火焰的稳定燃烧特性 试验研究了预混气体火焰闪回和吹熄极限随燃 空当量比的变化关系 研究发现 甲烷一空气混合气体的闪回极限的最大值出现在接近化学当量比处 并且呈现出类似抛 物线的变化规律 而火焰的吹熄极限随着当量比的增加而逐渐增大 试验通过采用1 3m m 和11m m 两种不同口径的本生 灯 研究了本生灯孔径对甲烷一空气预混火焰的稳定燃烧区间的影响关系 实验证明 随着孔径的增大 闪回极限将会减 小 而吹熄极限随之增大 通过实验获取这些参数 能够为设计和优化燃烧系统提供理论支撑 关键词 本生灯 稳定火焰 吹熄极限 闪回极限 当量比 中图分类号 T K 4 2 7文献标识码 B文章编号 1 0 0 0 6 4 9 4 2 0 1 3 0 2 0 0 4 9 0 3 T h eE x p e r im e n t a l S t u d yo fF la m eS t a b ilit yo fC H 4 a irP r e m ix e dF la m e Z H A N GW e i L O N GJ ia n g t a o L I UY a n g C h o n g q in gC o m m u n ica t io nC o lle g e C h o n g q in g4 0 0 0 3 5 C h in a A b s t r a ct I nt h isp a p e r t h es t a b leco m b u s t io nch a r a ct e r is t icso fm e t h a n e a irp r e m ix e df la m ew e r ee x p e r im e n t a llyd e t e r m in e db ym e a n s o fB u n s e nb u r n e rm e a s u r e m e n t s T h ep r o p e r t ie so fs t a b lef la m e s i e t h elim it so ff la s h b a cka n db lo w o u t w e r ech a r a ct e r iz e db y f u n ct io n so ft h ee q u iv a le n cer a t io so ff la m e s T h er e s u lt ss h o w e dt h a tt h ef la s h b a ckp r e s e n t saC H I v elik eap a r a b o laf u n ct io na g a in s tt h e e q u iv a le n cer a t io a n dit sm a x im u mv a lv eo ccu r sn e a rt h es t o icm e t r ic co n d it io n W h ilet h eb lo w o u tin cr e a s e sw it ht h ein cr e a s eo f e q u iv a le n cer a t ioo ff la m e T h ee f f e ct so fb u r n e rd ia m e t e ro ns t a b lech a r a ct e r iz a t io nw e r es t u d ie da sw e ll itiss h o w nt h a tw it ht h eB u n s e n b u r n e rd ia m e t e rin cr e a s e t h ef la s h b a ckisin cr e a s in g b u tt h eb lo w o u tisr e d u cin g T h e s ep a r a m e t e r sa r eu s e f u lt op r o v id et h e o r e t ica l s u p p o r tf o rd e s ig n in ga n do p t im iz in gt h eco m b u s t io ns y s t e m s K e yw o r d s B u n s e nb u r n e r s t a b lef la m e b lo w o u t f la s h b a ck e q u iv a le n ce r a t io O 前言 稳定火焰的传播是高效燃烧的基础 火焰的稳 定燃烧区间通常表征为火焰闪回极限 f la s h b a ck 和吹熄极限 b lo w o u t 之间的气体流动区 间 对于给定的混合气体 只要其当量比在着火 极限区间内 火焰的稳定传播主要受气流的流动速 度所决定 当其气体流量值超过了一定值 火焰将 会离开燃烧器口边缘而逐渐熄灭 此时的气流流速 就可定义火焰的吹熄极限 相反 当流量值低于火 焰燃烧的最小临界值时 燃烧火焰呈向本生灯燃烧 器内收缩 在燃烧器壁面淬熄和拉伸作用下 逐渐 熄灭 此时燃气流的最小临界流速值就称为火焰的 基金项目 国家自然科学基金资助项目 5 1 0 7 6 1 6 7 重庆市杰出青年基金资助项目 cs t c2 0 1 2 j j j q 9 0 0 0 2 作者简介 张伟 1 9 8 8 一 男 硕士研究生 主要 从事复合燃料的研究 收稿日期 2 0 1 2 1 l一2 2 闪回极限 甲烷 C H 作为一种高效 清洁的工业和民 用燃料 目前已经在包括内燃机 工业及民用燃气 炉等上得到广泛的应用1 2 1 研究甲烷一空气预混气 体火焰的稳定燃烧特性有助于推动甲烷的高效利 用 对开发和研究以甲烷为燃料的新型燃烧系统有 着极大的促进作用 1 实验装置与步骤 本生灯火焰实际上是火焰局部熄火 1 主要有 两种认识 一种是有流场不均匀造成的气动拉伸 机理 1 另外一种认为是燃料和氧化剂分层扩散的 机理 研究表明这两种机理中分层扩散是主要原 因 1 实验基于本生灯进行 实验装置主要包括本 生灯燃烧器以及燃气的混合和控制系统 其组成结 构见图1 图中F 1 为转子流量计 内燃机 2 0 1 3 年4 月 l羽I 实验系统不意图 实验时 压缩空气 甲烷气体按照设定的比例 流向混合器 然后在燃气混合器中进行混合 混合 器内部充满网状介质 以确保甲烷与空气在混合器 中混合均匀 混合器后接一 T 型分叉管路 图 中未标出 一端接燃烧器 另一端为放气口 实 验时通过调整放气口的燃气流量 来达到改变流经 燃烧器的气体流量 混合器前端分别连接有压缩空 气瓶和高压甲烷气瓶 它们经减压后在阀门控制下 按设定比例进入燃气混合器 其流量分别由各自的 气体流量计测试 实验测试所用高纯度甲烷 纯度 大于9 9 9 2 试验结果及分析 试验研究的甲烷一空气混合气体当量比从0 6 1 6 的范围内测得了预混火焰的闪回极限和吹熄 极限 图2 所示为本生灯燃烧器口径为llm m 的 本生灯火焰稳定燃烧测试结果 由图2 可以清楚地 看出 混合气体的闪回极限随着甲烷一空气混合气 体当量比的变化而变化 整体呈类似抛物线形 而 且这种趋势不随试验用燃烧器的口径变化而变化 一般而言 当混合气略大于1 O 的时候 闪回极限 达到最大值 这是因为当甲烷浓度增加后 混合气 中的含氧量相对减少 甲烷浓度越大 含氧量就会 更少 这样就产生了回火极限不断降低的现象m J 图3 表示了1 3m m 本生灯稳定燃烧区间 整个稳定 区间正好位于闪回极限和吹熄极限之间的部分 只 要实验测得闪回和吹熄极限就能够确定出预混火焰 稳定燃烧的区间 可燃气体的闪回熄火是由于火焰的传热或膨胀 做功将足够的能量或活化分子从燃烧区域移走 以 至于反应率 热释放率 减慢至反应不能自持的温 c 邑 血1 避 旷 d 廷 混合气体当量比 图2l1m m 本生灯预混甲烷一空气火焰稳定燃烧区间 f 邑 皿三1 1 煺 旷 d 皿 i 混合气体当量比 图31 3m m 本生灯预混甲烷一空气火焰稳定燃烧区间 度的情况下 而稳定火焰的吹熄是指随着燃烧火焰 气体的流量不断增加 当流量达到一个最大临界值 时 即火焰离开燃烧器本体 火焰可能突然熄灭 当然 当混合气体十分充足 在离开燃烧器一定距 离处 火焰仍然可以燃烧 但随着混合气体的流量 不断增加 下游火焰获得更多的向上推力 使得混 合气体的流动速度大于火焰前沿传播速度 从而导 致火焰被吹熄 由图2 和图3 都可以看出 火焰的吹 熄极限是随着当量比的增加而逐渐增加 3 本生灯喷口直径对火焰稳定性的影响 通过本生灯甲烷一空气混合气体燃烧火焰的稳 定性实验已经得到该混合气体的稳定燃烧区间 对 于不同口径本生灯的火焰稳定性影响 我们也做了 进一步的实验分析 实验采用两种不同孑L 径的本生 灯 分别是1 1m m 口径和1 3m m 口径 通过对两 种不同孔径下稳定区间的实验测试 得到了单质燃 料C H 与空气混合气体燃烧火焰的闪回极限和吹 熄极限 见图4 和图5 llm m 和1 3m m 两种孔径 所测得的闪回极限和吹熄极限略有不同 在图4 和 图5 上可以非常明显地看出随着孔径的增大 闪回 极限降低得比较快 火焰更容易产生回火现象 而 随着孔径的增大 火焰不容易被吹熄 吹熄极限随 之增大 混合气体的闪回极限的最大值总是出现在 第2 期 张伟 等 甲烷一空气预混火焰稳定特性的实验研究 5 l I c 已 瑚 遮 扩 d 廷 混合气体当量比 图41 1m m 和1 3 m m 孔径本生灯的闪回极限 I 上 邑 癌l 遮 F d 廷 混合气体当量比 图51 1m m 和1 3 m m 孔径本生灯的吹熄极限 当量比略大于1 的时候 并且 在增大燃烧孑L 径的 情况下 火焰的闪回极限在降低 吹熄极限反而升 高 说明整个稳定燃烧区间在增大 4 结论 通过对甲烷一空气混合气体的实验测试研究得 到的甲烷一空气混合气体燃烧火焰的闪回和吹熄极 限 从而确定出该混合气体的稳定燃烧区间 稳定 燃烧区间位于吹熄极限和闪回极限两条曲线的中间 区域 闪回极限在稀浓度和浓浓度处都减小 而吹 熄极限随着浓度增加将不断增大 随着本生灯孑L 径 由1 1m m 增加为1 3m m 时 吹熄极限也在增大 闪回极限却在减小 充分说明 随着孑L 径增大 稳 定燃烧区域在不断增大 对于这些参数的研究 无 疑将对发展和设计新的甲烷一空气混合气体燃烧装 置起着重要的作用 参考文献 1 刘宪秋 程久生 本生灯火焰和S w it h ll火焰的实验研究 J 工程热物理学报 1 9 8 7 1 9 5 9 7 2 蒋德明 内燃机燃烧与排放学 M 西安 西安交通大学 出版社 2 0 0 1 3 B u ck m a s t e r J T h eq u e n ch in go ft w od im e n s io n a lp r e m ix e d f la m e s J A ct aA s t r o m a u f ir e 1 9 7 9 7 4 1 7 6 9 4 1 S ir a s h in s k y G I T h ed if f u s io ns t r a t if ica t io ne f f e ctinB u n s e n f a lm e s I J H e a tT r a n s f e r 1 9 7 4 5 3 0 5 3 5 5 1 L a w C K I s h iz u k a Sa n dC h o P O nt h eo p e n in go f p r e m ix e dB u n s e nf la m et ip s J C o m b u s t io n S cie n cea n d T e ch n o lo g y 19 7 9 3 3 4 0 6 L ia oS C h e n gQ J ia n gD G a oJ E x p e r im e n t a ls t u d yo f f la m m a b ilit ylim it so fn a t u r a lg a s a irm ix t u r e JH a z a r d M a t e r2 0 0 5 11 9 1 3 8 1 4 7 王宇 姚强 王世昌 王翠萍 王欣怡 本生灯教学试验 台改良及实验数据处理 J 实验技术与管理 2 0 0 5 5 5 1 5 4 上接第2 7 页 N 一3 7 0O C o m b k o t M a s s F r a ct io n I 一 口卫 5 9 8 l90 0 0 83 2 60 0 1 6 6 5 20 0 2 08 1 5 0 0 0 2 8 l50 0 1 0 4 0 80 0 1 8 7 N l强 瑚I j lJ I J r I w t