微圆管内氢气和烷烃预混催化燃烧特性实验研究

发布时间：2017-09-04 08:26

  本文关键词：微圆管内氢气和烷烃预混催化燃烧特性实验研究

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【摘要】：微加工制造、微电子集成和信息技术的不断进步促进了便携式设备的发展。微尺度燃烧系统以其体积小、能量密度高等优点在能源、光电、控制等领域的应用越来越广泛。燃烧稳定性和燃烧效率是微尺度燃烧系统的关键性能,如何提高燃烧稳定性和燃烧效率也是以燃烧为基础的微能源动力系统的关键难点和热点问题。本文围绕这两个科学问题,开展了氢气、甲烷和正庚烷在微小型圆管燃烧器内的催化燃烧实验研究,获得了不同混合比、当量比、催化剂布置方式、燃烧器内径等对燃料燃烧特性(稳燃范围、火焰形态、壁面温度分布、燃烧转化率、散热等)的影响。在双套管中进行氢气/甲烷/空气催化燃烧实验,发现维持稳定燃烧的入口流速v的下限随混合比R的增大而减小,但随当量比Φ的增大而先减小后增大,在R=0.9,Φ=1.6的工况下,可以在0.25m/s～19m/s范围内实现稳定燃烧。同时在此工况下,壁面温度最高、热回流区域最长。随着R的增大,火焰锋面变为倾斜的锥形、根部向下游移动。壁面散热量随R和v的增大而增大,散热率却随R的增大而增大,随v的增大而减小。壁面辐射散热占总散热量的比例也是先增大后减小,在Φ=1.6时达到最大值63.93%。在微缩放管燃烧器中以连续式(A式)和分段式(B式)布置催化剂,进行正庚烷催化燃烧实验。在Φ=1.6富燃条件下,B式能够明显拓宽稳燃上限至Re=1500,但当Re较小时A式更有优势,能够在Re=12时实现稳定燃烧。在A式和B式中,壁面温度分别呈现出单峰和双峰分布,B式中双峰分布不仅减缓了壁面温度变化,而且加强了喉部无催化区域的燃烧。两种布置方式下,燃烧产物呈现出不同的变化趋势,在Re=160时分别达到最大转化率84.4%和88.3%。以Pt/Ce0.8Zr0.2O2为催化剂,在不同内径的填充床微圆管中进行正庚烷燃烧实验。内径d=3,4,5mm的圆管分别在Φ=2.0,1.6,1.2的富燃条件下达到最大的稳燃范围,且随着d的增加,稳燃范围逐渐变大。Re较小时,d=4mm和5mm圆管中壁面最高温度非常接近；但当Re较大时,d=5mm圆管中的高温区域更大。不同内径圆管中的转化率均在Re=160工况下达到最大值,且随着d的增加,转化率变大。随着Re的增加,壁面散热损失占燃烧产热的比例逐渐下降。
【关键词】：微燃烧器 催化燃烧 稳燃范围 壁面温度
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK16
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-11
• 符号表11-13
• 1 绪论13-21
• 1.1 课题研究背景及研究意义13-14
• 1.2 微尺度燃烧器的发展14-15
• 1.3 微尺度燃烧相关研究15-20
• 1.3.1 微尺度下气体燃料燃烧研究15-17
• 1.3.2 微尺度下低碳液体燃料燃烧研究17-20
• 1.4 本文研究意义及内容20-21
• 2 微型圆管内甲烷掺混氢气催化燃烧实验研究21-37
• 2.1 引言21-22
• 2.2 实验系统及测量方法22-27
• 2.3 实验结果与讨论27-35
• 2.3.1 稳燃范围28-29
• 2.3.2 预混燃烧的火焰29-31
• 2.3.3 壁面温度31-33
• 2.3.4 壁面散热33-35
• 2.4 本章小结35-37
• 3 两种催化剂布置方式下正庚烷燃烧实验研究37-57
• 3.1 引言37-38
• 3.2 催化剂制备与表征38-41
• 3.3 实验方法41-44
• 3.3.1 实验系统41-42
• 3.3.2 主要设备42-44
• 3.4 实验结果与讨论44-56
• 3.4.1 稳燃范围44-46
• 3.4.2 壁面温度和热回流区域46-51
• 3.4.3 燃烧转化率51-54
• 3.4.4 产热和散热54-56
• 3.5 本章小结56-57
• 4 微尺度下特征尺寸对正庚烷催化燃烧的影响57-67
• 4.1 引言57
• 4.2 实验系统57-58
• 4.3 实验结果与讨论58-65
• 4.3.1 稳燃范围58-60
• 4.3.2 壁面温度60-63
• 4.3.3 转化率63-65
• 4.3.4 壁面散热65
• 4.4 本章小结65-67
• 5 全文总结与展望67-69
• 5.1 总结67-68
• 5.2 创新68
• 5.3 展望与不足68-69
• 参考文献69-78
• 攻读硕士学位期间获得的科研成果78
• 参与的科研项目78

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本文编号：790414