微細(xì)通道內(nèi)甲烷-濕空氣催化著火特性研究.pdf

1、微型裝置如微型傳感器、微型飛行器、調(diào)節(jié)器、微型醫(yī)療器械、微泵、微型馬達(dá)等,其在國(guó)防、科研、醫(yī)療和工業(yè)等前沿領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。微燃燒器能量密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)供能方式,微尺度燃燒的研究已成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究熱點(diǎn)。微燃燒器中存在諸多問題如燃料難以著火、快速著火,燃料難以穩(wěn)定燃燒等急需解決。本文主要針對(duì)微細(xì)通道內(nèi)甲烷/濕空氣催化著火過程展開研究。研究中主要采用數(shù)值模擬方法研究了甲烷催化著火溫度特性,甲烷極限著火特性及燃燒穩(wěn)定特性、催化著火暫態(tài)特性、恒定壁

2、面溫度下的甲烷催化燃燒特性,并采用實(shí)驗(yàn)方法研究了操作條件(主要包括甲烷/氧氣當(dāng)量比,進(jìn)氣流量以及反應(yīng)器尺寸)及水蒸氣濃度對(duì)甲烷催化著火特性的影響。
　　針對(duì)微型燃燒器內(nèi)甲烷難以快速著火和穩(wěn)定燃燒的問題,采用數(shù)值方法和實(shí)驗(yàn)方法對(duì)操作條件對(duì)甲烷催化著火過程的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:甲烷/氧氣當(dāng)量比減小,進(jìn)口流速增加,壁面催化劑負(fù)載密度減小,甲烷著火溫度升高,其需要更高的預(yù)熱能量才能著火。當(dāng)燃料反應(yīng)氣體積流量恒定時(shí),進(jìn)氣壓力增加,

3、甲烷著火溫度升高,不利著火。水蒸氣的加入會(huì)使甲烷著火溫度升高,甲烷需要更高熱量才能著火。對(duì)于微尺度燃燒,表面散熱損失越大,著火溫度會(huì)提高,需要提高預(yù)熱溫度才能使燃料著火。當(dāng)體積流量一定時(shí),在尺寸較大的反應(yīng)器中,甲烷能夠在較低的溫度下發(fā)生著火。從微圓管內(nèi)甲烷催化著火過程的暫態(tài)模擬發(fā)現(xiàn),甲烷/氧氣當(dāng)量比增加,著火發(fā)生越快。進(jìn)口流速增加,燃料在反應(yīng)器中的停留時(shí)間減少,甲烷著火越快且甲烷穩(wěn)定時(shí)間縮短。進(jìn)氣壓力增加,著火溫度的提高以及單位時(shí)間內(nèi)氧

4、化放熱量提高,導(dǎo)致著火發(fā)生越快。水蒸氣的添加對(duì)甲烷催化著火起到一定的延遲作用。且添加的水蒸氣濃度越大,甲烷催化著火發(fā)生就越推遲。
　　采用數(shù)值方法對(duì)壁面物性參數(shù)對(duì)甲烷催化著火的影響進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明:壁面導(dǎo)熱系數(shù)增大,甲烷催化著火極限當(dāng)量比減小,著火區(qū)間擴(kuò)大。低速段下,決定熄火的主要原因?yàn)楸砻鏌崃繐p失;高速段下,熄火極限急劇增大,出現(xiàn)吹熄。當(dāng)進(jìn)口流速較高時(shí),增加甲烷濃度能夠明顯提高甲烷燃燒穩(wěn)定性。對(duì)于恒定壁面溫度的催化燃燒,

5、壁面溫度與進(jìn)口流速對(duì)甲烷催化氧化影響最大。當(dāng)未達(dá)到著火溫度時(shí),當(dāng)量比和進(jìn)口流速的增加有助于甲烷催化氧化。
　　采用實(shí)驗(yàn)方法分析了水蒸氣對(duì)甲烷催化著火特性的影響。研究結(jié)果表明:添加的水蒸氣濃度增加,T10和 T90相應(yīng)提高。反應(yīng)氣中未加入水蒸氣時(shí),甲烷著火溫度為525℃;當(dāng)加入的水蒸氣濃度為5％、10％、15％及20％時(shí),著火溫度分別為575℃、590℃、610℃和645℃。添加的水蒸氣濃度越大,甲烷著火越不易。壁面溫度為550℃時(shí)