微圆管内正丁醇催化燃烧特性研究

发布时间：2020-03-21 04:29

【摘要】：随着微电机系统的发展,微型供能系统因体积小、质量轻、易便携、能量密度高、供能时间长等优点逐渐受到重视,有望为微推进器、微发动机和微燃烧器提供动力。微型燃烧器中碳氢燃料燃烧已经成为燃烧领域的重要研究方向之一。本论文以正丁醇为研究对象,围绕微型燃烧器中正丁醇燃烧特性展开研究,在催化燃烧特性、催化燃烧反应总包化学动力模型及燃烧器尺度效应等方面进行实验和数值模拟研究,为正丁醇作为燃料在微推进系统和微能源动力系统中的应用提供理论基础指导和实验参考数据。通过实验研究在4mm的石英管中以Pt/ZSM-5为催化剂的正丁醇催化燃烧反应,对比讨论当量比、流量对正丁醇催化效应的影响,分析转化率、产物浓度、燃烧效率等催化燃烧特性,拟合计算表观活化能。研究结果显示,保持体积空速小于19080h-1,流量对正丁醇在该微小圆管内的催化燃烧影响较小;气体总流量不变,减小混合气体的当量比,正丁醇的转化率大幅提高,表明氧在催化剂表面的吸附是正丁醇在Pt/ZSM-5表面反应的主导因素。减少混合气体的流量和减小混合气体的当量比,正丁醇的燃烧效率都会提高。正丁醇在Pt/ZSM-5上反应的表观活化能为(110±20)kJ/mol,在低当量比、低流量下,正丁醇在催化剂下反应的表观活化能更小。在380至500K温度范围内的微型石英管燃烧器中,对正丁醇/空气/氮气的混合气体在Pt/ZSM-5催化剂下进行催化氧化动力学实验,通过对实验数据的拟合构建了 Power law mode模型和L-H模型(表面反应或氧吸附为反应速率的决定步骤),这三个模型都能较好地预测正丁醇在Pt/ZSM-5上的燃烧速率。Power lawmodel模型中,正丁醇和氧气的反应级数为1和-0.23。L-H模型中,将正丁醇氧化反应分为五个基本反应来预测反应速率,通过拟合发现,将氧吸附和表面反应作为反应决定步骤(RDS)都产生低的SSQ值,这表明氧吸附或表面反应是确定反应速度的关键步骤。比较实验和计算的反应速率发现差异较小,确定了上述模型表达式的可靠性。对正丁醇/空气的混合气体在内径分别为1,2,4mm的填充床微圆管燃烧器进行催化燃烧模拟,研究不同管径的燃烧器正丁醇燃烧特性,探寻当量比、流量对尺度效应的影响,获得了稳燃范围,管壁温度等参数。管径为4mm的燃烧器和管径为2mm的燃烧器稳燃下限曲线比较接近,管径为1mm的燃烧器需要在相对较大的当量比下才能稳燃。保持入口流速不变,燃烧器中线线最高温度和壁面最高温度随着当量比升高也一直升高,且中心线最高温度随着管径增加而增加。保持当量比不变,随着入口流速的增加,管径为4mm、2mm的燃烧器中心线温度曲线几乎重叠,而1mm中心线温度和4mm、2mm中心线温度相差较大,且管径为1mm的壁面最高温度壁面随着流速的增高不断上升,此时流速对尺度效应效果强烈。
【图文】：

碳氢,锂离子电池,能量密度,化合物

度高、供能时间长等优点逐渐受到重视，可以很好的为微推进器，微发动机，微逡逑燃烧器提供动力。微加工制造、微电子集成和信息技术的不断进步使得微型供能逡逑系统被广泛用于汽车制造、环境监控和生物医学等领域［１－３］。图１．１［４］比较了锂离逡逑子电池、几种碳氢（碳氢氧）化合物燃料及不同发动机的能量密度，可以看到目逡逑前可使用的最先进的锂离子电池能量密度也只有0．２ｋＷｈ／ｋｇ，是碳氢燃料（如甲逡逑烷和柴油）的１／６０。相比常规的化学电池，碳氢燃料质量轻、燃烧产物污染小，逡逑只需０．５％的燃烧热转化为电能即可提供与锂离子电池相当的能量密度，如以乙逡逑醇为燃料，，只要热电转化率达到２．４％以上，就比化学电池更具优势。同时相比逡逑于化学电池，微型燃烧器中碳氢燃料燃烧更为环保。逡逑＾邋0邋Ｌ逦祖一屋逡逑Ｉ尝蠢ＩＩＩ鹄逡逑尖逦黑邋篇Ｉ邋１邋ＩＳ逡逑图１．１锂离子电池、几种碳氢（碳氢氧）化合物燃料及不同发动机能量密度的对比逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｏｆ邋ｌｉｔｈｉｕｍ邋ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｙ，邋ｓｅｖｅｒａｌ邋ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ邋（ｃａｒｂｏｎ邋ａｎｄ邋ｏｘｙｇｅｎ）邋ｆｕｅｌ邋ａｎｄ逡逑ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｅｎｇｉｎｅ逡逑由于微型燃烧器中碳氢燃料燃烧能量密度高、环保等显著优势

热回流,瑞士,燃烧器,实物

邋■邋■逡逑图１．２微型涡轮发动机逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｂａｓｅｌｉｎｅ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ逡逑３邋Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ逡逑／邋ｖｏｌｕｍｅ逡逑，，—⑷。ｉ邋），°°邋？。。ｍ0逡逑ｌ‘一ＭｗｉＭＦ逡逑１６００邋１２００逦（邋（逦５００逦４００逦３００邋Ｋ逡逑、，３逡逑图１．３邋（ａ）热回流装置示意图，（ｂ）邋（ｃ）邋（ｄ）“”瑞士卷”燃烧器实物逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋（ａ）Ｓｃｈｅｍｉｃ邋ｏｆ邋ｈｅａｔ邋ｒｅｃｕｌａｔｉｎｇ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，邋（ｂ）邋（ｃ）邋（ｄ）邋Ｓｗｉｓｓ－ｒｏｌｌ邋ｂｕｒｎｅｒ逡逑通过在微型燃烧器上涂覆催化剂可以稳定燃烧，扩大稳燃极限，微型催化燃逡逑烧器应运而生。微型催化燃烧器主要分为平板微型催化燃烧器［ＵＭ７］和圆管催化燃逡逑烧器ＦａｎｆＵ等人加工制造了封闭式石英平板燃烧器，并将甲烷和空气混合逡逑气体从圆管入Ｄ进入燃烧室，通过激光诊断技术可以获得ＣＨ＊／ＯＨ＊在不同温度，逡逑不同间距下的火焰发光图像。Ｓａｉｋｉ［１２＞等人将两块石英平板不封闭平行放置
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TK16

【参考文献】