多孔泡沫陶瓷中预混火焰燃烧速率的试验研究

1、多孔泡沫陶瓷中预混火焰燃烧速率的试验研究.f玛一第1卷(1995)第2期J0uRNAL0F嚣sT抖ION孔舌发.贿,弓烫蹉囔学'与括'烧性靛950017多孔泡沫陶瓷中预混火焰燃烧速率的试验研究一丑袭锦华(南京理工大学)摘要MatthewgRD(美国得克萨斯大学)/.1R),TAfS",本文对在多孔泡沫陶瓷中的甲烷空气预混燃烧的燃建特性进行了实验研究,用一专燃烧的可燃稳定上下界限也有相应扩大关键词:预混燃烧,燃烧器,多孔介质ExperimentalStudyofPremixedBurningRatewithinPorousCeramicsLnZhaohuaSunSich

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

3、ermlpropertiesandporesizes.Thesthilitylimitsinequiwdenceratiowereextendedascomparedtothoseofthefreefkmewithoutporousmed/a.KeywordslPremixedcombustion,Burner,Porousmedia?国家自然科学基盘资助工程*中国,南京,邮犏210014燃烧科学与技术第1卷第2期引言要是由于多孔介质能显着增强和控制气相火焰中传热传质过程的特性.7O年代和8O年代初,主要有Takeno等人对"超焓火焰"(Excessenthalpyflam

4、e)T研究.后来,Echigo等人又提出了"辐射控制火焰"(Radiationcontrolledflame)0,作出了单步化学反响的数学模型.,而ChenY,HsuP和MatthewsR等人又相继提出辐射多步化学反响模型,同时还进行了相应的实验研究.另外,Sathe和Tong等人也对多孔介质辐射燃烧器进行了理论和实验研.究,还有其他一些研究者也对多孔介质燃烧系统作了多方面的研究.这些研究成果均说明,处于火焰中的多L介质,无论是陶瓷管束,还是固体颗粒或球体组成的多L体系,或是泡沫状的多孔介质,它们被高温燃气加热后,能够形成比气相介质强得多的热辐射,这就能太大增强烧反响的热能

5、通过燃气流与多孔介质间的高效对流换热,转换成固体介质的强热辐射,向上游进行热反响.热回流的增强传热和化学反响的循环,就形成了预混火焰在多孔介质中的独特燃烧性能,与一般的自由燃烧火焰(火焰中无固体介质)相比,其主要差异为高得多的燃烧速率;燃烧反响医的火焰温度可超过相应的绝热火焰温度;燃烧稳定性太大增强;可燃性极限扩大.这不仅可使大流率,低热值燃料在多孔介质燃烧器中稳定正常燃烧,而且还能使燃烧器的容积热流输出率成倍增加.在一定条件下,还能减少N和CO的排放量.过去的研究主要囿于理论研究.在实验方面,虽有Takeno等的管柬火焰稳定器,Sathe等的陶瓷纤维燃烧器以及其他研究者对辐射管或蜂窝陶瓷燃烧

6、器的研究,但泡沫陶瓷在预瓷和AJzOs+crzOa陶瓷)和不同孔型尺寸(孔径0.5ram,0.9mm和13ram)的多孔陶瓷在专门设计的燃烧器中进行多燃烧参数的系统实验,得到了不同情况下预混燃烧速率"随甲烷/空气当量比变化的曲线比拟充分地反映了影响燃速的各种因素,为深入的理论研究和实际应用提供了依据.1实验装置示.燃烧器主要由能使燃气和空气得以充分混合的预混室和装有多L陶瓷柱的燃烧管组成.球体和大孔径泡沫陶瓷碎块,使气体在向上流动过程中经众多不规那么缝隙通道流动而相互整流,呈层流态进入燃烧管.在燃烧管中,泡沫陶瓷柱体外紧套着一透明耐热石英管,在点火燃烧时能够清楚地观察到火焰状况.为了

7、尽量减少管内火焰及燃烧产物的热量散失,使实验能接近于绝热燃烧条件,管外包有一层绝热矿棉,仅留一条纵向窄缝观察火焰的变化.1995年5月吕兆华等:多孔泡沫陶瓷中预混火焰燃饶速率的试验研究供气系统有空气源和燃气源两局部,空气源应能保证有压强恒定,流量充足的空气供给.本实验是通过小型压缩机先将空气压到一贮气罐内,在实验过程中再通过适时加压和管路的制式罐装纯洁CH气体,用适当的管路和调节阀与装置相连.本实验研究主要集中于测定在各种不同条件下,多孔陶瓷中预混火焰的燃烧速率.因此,测量控制系统只包括气体流量计和各管路的调一定的条件下,首先设法使燃烧火焰区从点火的燃烧器出口引入燃烧管中,然后使高温妖眼的火焰

8、区稳定停留在燃烧管中部,这需要按火焰向上漂移,趋向脱火,那么应适当减少燃气和圉1多孔升质燃烧装置示意围相等,到达火焰反响区向下推进与未燃混合气向上流动的动态平衡.在这种平衡状态下,可根据混合气的总流量Q计算出相应条件下的燃烧速率"2实验条件实验燃料为甲烷.实验燃烧管为耐热石英管,内径30ram,内装泡沫陶瓷柱体长为180ram左右.泡沫陶瓷材质有两种,一是纯氧化铝(含A1O在95以上),导热系数约为10W/(m?K);二是含氧化铬的氧化铝陶瓷(含CrO.10左右),其导热系数约为6W/(m?K).每种陶陶瓷柱体与石英管内壁同的间隙要尽量小,使同一横截面内各处的流速均匀一致.实验时需要

9、根据甲烷/空气燃烧反响方程:CH.+2(O2+3.764N2)/=CO2+2H2O+(2/一2)O2+7.528N2(1)计算不同当量比时相应的燃气和空气的流量.当=1时,甲烷/空气量符合化学计量比,甲小,燃气供给量越缺乏,空气过剩量越大.反之,>1那么是燃气过剩,在实际应用中是不希望出0.31.6,所需理论空气量为V=9.528/m.空气/m甲烷,这是对于无多孔介质存在的情况.当有多孔介质存在时,所需空气将增加假设干倍.由于所测燃速是未知的,可参考已有资料和以往用液化石油气测定的结果,绘制成一定当量比时的燃气和空气随总流量(相当于燃烧速度)变化的曲线,供实验时调节两者流量时查用

10、.计算燃烧速率时,将所需空气量加上燃气量得到混合气体的总体积流量Q,除以燃烧管通燃烧科学与技术第l卷第2期道面积,就可算得气体的流速,.当火焰在一定位置上一定时间(本实验要求至少保持5分钟)内稳定不动,这时的气流速率就作为所对应当量比条件下的燃烧速率.但由于多孔介质中预混火焰具有稳定范围大的特性,往往气流速率在一定范围内变化时,范围的平均值.本实验是在室温为1825条件下完成的.3实验结果与讨论按照上述方法,对两种材质,三种孔型尺寸,在一系列当量比条件下进行了测试擅整理绘制出相应的燃烧速率一当量比(一)变化曲线.图2和图3分别为氧化铝陶瓷(A1zOa)和含氧线为无多孔介质存在时的甲烷/空气预混

11、气自由燃烧的燃烧速率当量比(一中)曲线,它是根据资料9中有关数据整理而得的.通过比照可清楚地看出各曲线具有类似的变化趋势(即在=1左右燃烧速率最高,偏离1时,燃烧速率下降,离得越远,下降得越多).多孔介质的存在显着地提高了预混火焰的燃烧速率.在靠近可燃下限(=0.4)附近,提高最为显着,许多情况下.比超过10.同时由图23也可看出多孔介质材料和孔型尺寸对预混火焰燃烧特性也有很大影响.E*倒鬟当量比围2A120陶瓷"一曲线*制蜒当量比圉3A12O3+CrzO3陶瓷一曲线由图2和图3可见,对于本实验测试的三种孔型尺寸,大孔(1.3mm)的燃烧速率最高,验数据说明,对同一材质,大孔泡沫较小

12、孔泡沫其热辐射衰减系数为小,因此在火焰反响区的高温辐射能对上游预热区较远的范围内产生作用,从而影响整个的火焰特性.以发现,纯氧化铝(AIO)陶瓷材料的燃烧速率要比含氧化铬(AIzOs+Cr.Oa)的陶瓷材料的燃1995年5月吕兆华等多孔泡沫陶瓷中预混火焰燃烧速率的试验研究烧速率高.其主要原因在于氧化铝陶瓷的导热系数较高,且外表辐射率也比含氧化铬的紫色陶瓷大一些.即纯氧化铝陶瓷的泡沫状网络十分有利于高温区的对流热交换,从而增强了向上游预热区的传热和热反响,提高了燃烧反响的强度.衰1不同材质时的燃烧速率数据.Iu(cm/s)40i85118144179J165143i1370注:o为无多孔舟质时的

13、预混火焰燃烧速率.数据根据文献_g整理.本实验数据精度在7之内另外,从实验现象和所得的燃烧速率曲线中可明显地观察到,有多孔介质的预混燃烧与无多孔介质的自由预混燃烧相比,其可燃上下极限均有较大扩充,特别是贫燃下限更为突出.本实验当一0.35左右,有多孔介质时,还可得到稳定燃烧的火焰,而无多孔介质的自由燃烧了.由于在贫燃下限附近,空气过量系数大,燃烧温度低,因此实验燃烧器的热损失大,这就的实验装置的绝热保温性能还不很理想,如能进一步改善保温措施,减少热损失,可望稳定燃燃极限的扩大,特别是贫燃下限的延伸,有利于增大燃料稳定的燃烧范围,对于开发低热值燃料的应用提供了条件.4结论g瞢铡矗;垂当量比图4A

14、I20陶瓷与A120,_c2O3陶瓷比照曲线(1)多孔泡沫陶瓷介质在预混火焰燃烧器中能够显着增大可燃界限,提高燃烧速率和火焰温度.(2)不同材质的多孔泡沫陶瓷对提高燃速的影响程度有所不同.导热系数高,外表辐射率大的材质提高燃速的作用较大.(3)相同材质不同孔径尺寸的多孔陶瓷介质提高燃速的效果不同.一定范围内,大孔径多孔介质因其辐射衰减系数较小而提高燃速的效果较好.(4)多孔介质的存在对远离化学计量比时的燃烧速度的影响比正当或接近化学计量比(中一1)时的影响更加显着;对贫燃(中<1)区的影响比对富燃(中>1)区的影响较为显着.?134?燃烧科学与技术第1卷第0期参考文

15、献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吕兆华,MatthewsRtHowe1J.多孔陶瓷材料中的预混火焰.毕东工学院.1989,(8)7SatheS.TongT.etalAnNumericalAnatysisoCombu