典型混合可燃液体气液相界面蒸发特性及池火行为研究

发布时间：2020-06-07 08:49

【摘要】：实际使用的大多数燃料都为混合液体,混合液体是指含有两种以上组分的液体体系,混合液体中含有物理化学性质不同的各种组分,组分之间的相互作用会使得混合液体在燃烧过程中呈现出与单组份燃料燃烧不同的特征,因此本文基于气液相平衡理论研究了典型混合可燃液体的池火特性,为油品的储存、运输安全提供理论支撑。本文的研究主要包括以下内容:(1)将气液相平衡理论引入到油池火的气液相界面蒸发传热研究中。多组分燃料的物理化学性质特征最终是由微观的分子热力学相互作用决定的,本文详细介绍了多组分液体在蒸发过程中的组分和物理化学性质的变化,并且将互溶的混合液体分为两类:共沸液体和近理想液体,并描述了两种液体的基本物理化学性质。(2)根据混合溶液的相平衡特征,配制了两种典型的混合燃料:正庚烷/二乙二醇二甲醚(DGM)混合物和正庚烷/乙醇混合物,并进行了两种典型的混合液体的池火燃烧特性实验,测试了两种混合燃料的池火特征参数,包括燃烧速率、油池温度变化、火焰辐射特征、火焰中心温度等。结果表明共沸液体的燃烧过程与单组份液体类似,燃烧过程中混合液体的物理化学性质稳定,挥发出的混合液体蒸汽组成也是恒定的,蒸汽中的组分等于共沸混合比例。近理想液体在燃烧过程中不能形成稳定的混合物,液相和气相组成一直在发生变化,因而混合液体的物理化学性质也发生了变化。因此,共沸机理和非共沸机理在混合液体对混合液的燃烧过程有重要的影响。对不同比例的共沸型的混合液体的典型燃烧过程进行了详细讨论,发现了三种典型的燃烧模式,通过理论计算了三个区域的边界值,提出了基于锥形量热仪数据的液相实时组分计算方法,验证了三个区域的界定。(3)利用锥形量热仪研究了实际含氧混合燃料的燃烧特性和燃烧产物情况。利用锥形量热仪对含氧的混合燃料燃烧效率和燃烧产物情况进行了研究,得到了混合燃料燃烧效率的基础数据:一氧化碳产率、CO/CO2比率、能量转化率和碳转化率。通过各项数据对混合液体的燃烧效率表征进行了研究,结果表明CO的产率不能有效地表征液体的不完全燃烧情况,能量转化率和碳转化率数据才能有效地对燃烧的不完全性进行表征,这说明燃料的不完全燃烧主要是产生了碳烟。(4)基于锥形量热仪平台开展了含氧混合燃料油池在外界辐射条件下的点燃特性研究,研究表明不同类型的含氧添加剂对混合燃料的点燃时间影响模式不同。航煤/DGM混合液体的点燃时间可以很好地用Janssens的0.55幂指数模型来拟合,而航煤/乙醇混合物的点燃时间不能用该模型来拟合,通过Janssens点燃模型推导的边界条件来讨论了该模型的适用性,结果表明该模型适用于混合燃料闪点高于环境温度的情况。(5)基于二元混合液体燃烧过程的研究结论,发现了两种典型的油池火燃烧过程,并对每个过程的燃烧特点进行了描述。第一种为航空煤油/DGM混合燃料为代表,燃烧过程可以分为五个阶段。第二种以航空煤油/乙醇混合燃料为代表,其燃烧过程可以分为两个进程:进程A和进程B。进程A和进程B分别包括三个燃烧阶段。对于航空煤油/乙醇混合燃料,根据不同燃烧时期的液体表面沸腾温度数据与混合液体的相平衡温度特征分析表明,其燃烧过程中两个燃烧进程分别受乙醇和航空煤油的燃烧主导,根据HRR数据计算了燃烧过程中每个组分的燃烧速率,结果与燃烧主导模式结论相符,燃烧产物数据C02/CO和碳转化率数据同样也具有相同的特征。当乙醇体积分数小于40%时,混合液体的初始沸点大约为120℃,当乙醇体积分数大于40%时,混合液体的初始沸点大约等于乙醇的沸点,而混合液体油池燃烧后期的沸点温度不受混合比例的影响,与纯航煤的沸程相近。(6)扩展了混合液体池火的研究范围,开展了盐离子混合溶液池火燃烧特性的研究,以几种典型的含六氟磷酸锂的锂离子电解液为研究对象,进行了油池火实验,根据气液相平衡理论,得到了电解液溶剂的T-X图,结合电解液池火实验结果,将电解液池火的燃烧过程主要分为3个阶段:(Ⅰ)低沸点组分控制阶段,(Ⅱ)中间过渡阶段,(Ⅲ)高沸点组分控制阶段。锂电池混合物油池燃烧在低沸点控制阶段中,锂盐通过焰色反应改变了初始火焰的焰色,但是火焰的辐射特性不受影响,盐主要在过渡阶段和高沸点组分控制阶段大量发生热解反应并释放出大量白色烟气。
【图文】：

添加含氧燃料添加剂或者直接使用含氧替代燃料［１ＣＭ５］，理想的含量添加剂主要包逡逑括醚类添加剂、醇类添加剂、酯类添加剂［１６］，三种类型的含氧燃料主要的含氧官逡逑能团如图１．２所示。逡逑＼0Ｈ逦醇类逡逑醚类逡逑ｍｍ逡逑0逡逑图１．２醇类、醚类、酯类含氧燃料的官能团结构图逡逑醚类添加剂中一种比较理想的含氧燃料为二乙二醇二甲醚（ＤＧＭ），二甲醚逡逑具有较氋的十六烷值，并且含氧量较高，与柴油能够进行互溶，前人的研宄表明逡逑ＤＧＭ添加剂能够有效地降低碳烟的排放［１６］。醇类燃料来源广泛，生产成本低，逡逑是潜在的替代燃料［１７］，其中的代表燃料为乙醇，现在研究最多的是乙醇与柴油和逡逑乙醇互溶形成乙醇柴油和乙醇汽油［１８—２１］，研宄结果表明乙醇添加剂可以使得发动逡逑机的碳烟排放降低。酯类燃料经常作为柴油的替代燃料，与柴油进行混合，形成逡逑混合生物质柴油，，生物质柴油己经通过美国能源部门的认可，属于清洁环保、替逡逑代能源添加剂

不同边界条件（低压低氧、受限空间等）下的油池火燃烧特性等。油池火的燃烧逡逑速率是一个重要的研宄方面，Ｂｌｉｎｏｖ［３２］提出油池火在不同的尺寸下由不同的流动逡逑传热机制控制，如图１．３所示。Ｈｏｔｔｅｌ【３３］等人研宄表明，根据油池尺寸，油池火逡逑的传热流动模式可以分为三个区域：层流（Ｄ邋＞邋０．０３ｍ）、过渡状态（０．０３ｍ邋＜Ｄ邋＜ｌｍ）逡逑和揣流（Ｄ邋＞邋ｌｍ）邋，Ｂａｂｒａｕｓｋａｓ［３４］结合油池火的热反馈传热方式，又进一步将油逡逑池火的燃烧模式分为以下４种，如表１．２所示。逡逑Ｇａｓｏｆｃｏ＊逦＊邋２0逡逑－－Ｉ逡逑Ｉ；：逡逑Ｌａｍｒｔａｔ邋Ｂｏｗ邋ｒ？ｇｉｍ？逦ＴｒａｎＭｎｎ逦Ｔｕｒｏｕｌａｎｉ邋ｆｌｏｗ邋ｒ？ｇｍ？逡逑Ｉ邋１１邋ｔｉｌ逦ｔ邋１１邋：邋Ｉ邋Ｓ逦１邋Ｉ邋ｉ逦Ｉ逦ｉ邋Ｉ逦Ｉ逦ＩＩ邋ＩＩＩ逦Ｊ邋Ｉ逡逑０．４逦１逦２３４６８邋１０逦２逦３邋４逦６逦Ｂ邋１００逦２逦３邋４逦６逦１０００逦３０００逡逑Ｐａｎ邋ａａｍｅｉｅｆ邋（ｃｍ）逡逑图１．３油池火燃烧速率随油池尺寸的变化逡逑４逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE88

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本文编号：2701166