微細通道內甲烷-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、調節(jié)器、微型醫(yī)療器械、微泵、微型馬達等,其在國防、科研、醫(yī)療和工業(yè)等前沿領域應用廣泛。微燃燒器能量密度遠高于傳統(tǒng)供能方式,微尺度燃燒的研究已成為國內外學者研究熱點。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。本文主要針對微細通道內甲烷/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,并采用實驗方法研究了操作條件(主要包括甲烷/氧氣當量比,進氣流量以及反應器尺寸)及水蒸氣濃度對甲烷催化著火特性的影響。
　　針對微型燃燒器內甲烷難以快速著火和穩(wěn)定燃燒的問題,采用數(shù)值方法和實驗方法對操作條件對甲烷催化著火過程的影響進行了研究。研究結果表明:甲烷/氧氣當量比減小,進口流速增加,壁面催化劑負載密度減小,甲烷著火溫度升高,其需要更高的預熱能量才能著火。當燃料反應氣體積流量恒定時,進氣壓力增加,

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

4、化放熱量提高,導致著火發(fā)生越快。水蒸氣的添加對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)值方法對壁面物性參數(shù)對甲烷催化著火的影響進行了研究。研究結果表明:壁面導熱系數(shù)增大,甲烷催化著火極限當量比減小,著火區(qū)間擴大。低速段下,決定熄火的主要原因為表面熱量損失;高速段下,熄火極限急劇增大,出現(xiàn)吹熄。當進口流速較高時,增加甲烷濃度能夠明顯提高甲烷燃燒穩(wěn)定性。對于恒定壁面溫度的催化燃燒,

5、壁面溫度與進口流速對甲烷催化氧化影響最大。當未達到著火溫度時,當量比和進口流速的增加有助于甲烷催化氧化。
　　采用實驗方法分析了水蒸氣對甲烷催化著火特性的影響。研究結果表明:添加的水蒸氣濃度增加,T10和 T90相應提高。反應氣中未加入水蒸氣時,甲烷著火溫度為525℃;當加入的水蒸氣濃度為5％、10％、15％及20％時,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