微型燃燒器內(nèi)甲烷催化燃燒特性數(shù)值研究及實(shí)驗(yàn).pdf

1、隨著微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)日新月異的發(fā)展，微器件對(duì)許多領(lǐng)域的影響日趨明顯，裝置的微型化與微型系統(tǒng)的研究已成為當(dāng)今研究的重要課題。近年來，國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)相繼開展了微動(dòng)力機(jī)電系統(tǒng)和微發(fā)動(dòng)機(jī)的研究工作。它具有能量密度高、壽命長、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)該領(lǐng)域的研究始于二十世紀(jì)九十年代中期，需要解決的科技難題還有很多。如微空間內(nèi)可燃?xì)怏w的流動(dòng)、燃燒時(shí)間、燃燒效率和穩(wěn)定性等可能與大空間內(nèi)的燃燒有著完全不同的特性，這都需要進(jìn)一步

2、深入研究。甲烷燃料容易獲得、價(jià)格低廉，在未來數(shù)十年內(nèi)將是微型機(jī)電系統(tǒng)和氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的主要燃料。微型燃燒器的尺寸較小、散熱速率較大，可能使常規(guī)空間反應(yīng)無法穩(wěn)定進(jìn)行，因此，研究微型燃燒器內(nèi)甲烷預(yù)混流動(dòng)和催化燃燒特性，可為微型發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)淙剂先紵夹g(shù)打下基礎(chǔ)。
　　本文針對(duì)微系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)與燃燒的研究現(xiàn)狀和存在問題，提出了微型燃燒器內(nèi)碳?xì)淙剂闲黝A(yù)混催化重整燃燒技術(shù)，分析了微細(xì)尺度流動(dòng)特性、催化重整及催化燃燒的反應(yīng)機(jī)理。提出以燃料入口直徑，旋、

3、直流槽數(shù)量，次級(jí)燃料入口距離、數(shù)量等幾方面因素來研究提高微型燃燒器預(yù)混腔的預(yù)混效果。探討了了各參數(shù)變化時(shí)，各燃?xì)獬隹谒俣取⑷細(xì)獬隹谒俣确植季鶆蛐?、出口預(yù)混系數(shù)的變化規(guī)律，為設(shè)計(jì)快速高效的微型預(yù)混器提供理論依據(jù)。
　　對(duì)預(yù)混方式及微燃燒器結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了燃?xì)庠谌紵鲀?nèi)的停留時(shí)間，得到了甲烷、水蒸氣在鎳催化劑作用下在預(yù)混腔發(fā)生催化重整、積碳特性的變化規(guī)律。得出了影響其特性變化的控制參數(shù)(如催化溫度、水碳比和質(zhì)量流量)的適宜范圍

4、。針對(duì)不同的目的和催化反應(yīng)，提出在微型燃燒器的預(yù)混腔和燃燒腔分別涂敷不同種類催化劑的催化燃燒策略。首次對(duì)滑移區(qū)內(nèi)氣體的流動(dòng)與傳熱特性與Kn數(shù)關(guān)系進(jìn)行了研究。
　　提出可用反應(yīng)對(duì)CO和CO2選擇性的指標(biāo)，來輔助評(píng)價(jià)和分析各因素變化時(shí)甲烷催化燃燒效率和熱值利用率的高低。微細(xì)尺度條件下可以忽略空間反應(yīng)對(duì)整個(gè)催化反應(yīng)的影響。得到了催化壁面溫度、nCH4/O2摩爾比和質(zhì)量流量變化時(shí)，甲烷催化燃燒效率、反應(yīng)對(duì)CO和CO2選擇性、熱值利用率的影

5、響規(guī)律。對(duì)如何提高微細(xì)尺度下催化燃燒的燃燒效率和熱值利用率具有重要的參考價(jià)值。
　　首次考察了燃燒腔不同催化壁面、流動(dòng)不均勻性、混合不均勻性對(duì)催化燃燒的影響。得到了在文中特定燃燒腔結(jié)構(gòu)下，催化溫度、甲烷與氧氣摩爾比和甲烷質(zhì)量流量各因素變化時(shí)，不同催化壁面對(duì)甲烷催化燃燒效率的貢獻(xiàn)情況。為了兼顧催化燃燒效率和催化成本，提出了催化劑在不同催化壁面的涂敷策略。得到了流動(dòng)不均、混合不均以及氫氣量對(duì)甲烷催化燃燒和催化劑使用壽命的影響規(guī)律。為提

6、高微細(xì)尺度下催化燃燒效率和降低催化成本提出了有效的解決措施。
　　對(duì)微型燃燒器的預(yù)混腔和燃燒腔進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用電火花加工工藝加工微燃燒器，搭建了微型燃燒器實(shí)驗(yàn)臺(tái)，優(yōu)化了系統(tǒng)，提高了微細(xì)尺度燃燒的穩(wěn)定性、燃燒效率和可操作性。對(duì)不同微孔、不同流量下甲烷的擴(kuò)散和預(yù)混燃燒火焰進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。研究分析了不同工況下微火焰的形狀、分布和顏色的變化情況。實(shí)驗(yàn)得到了火焰長度隨甲烷流量、微孔孔徑、微孔出口處雷諾數(shù)的變化規(guī)律。探討了吹熄速度、淬

7、熄速度、火焰的穩(wěn)燃范圍隨孔徑變化關(guān)系以及火焰長度/孔徑之比隨微孔出口雷諾數(shù)的變化規(guī)律。在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的穩(wěn)定高溫環(huán)境下，研究了催化溫度、CH4/O2摩爾比以及質(zhì)量流量等不同因素對(duì)甲烷催化燃燒效率的影響，并分析了與數(shù)值模擬的異同。進(jìn)一步揭示了散熱損失在微細(xì)尺度催化燃燒中的重要作用。為微細(xì)尺度下碳?xì)淙剂洗呋紵匦缘难芯刻峁┲匾膮⒖純r(jià)值和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。
　　本文較系統(tǒng)地研究了微細(xì)尺度內(nèi)流動(dòng)、預(yù)混，催化重整及燃燒問題、研究分析了微孔燃燒火焰

8、形狀、結(jié)構(gòu)及熄滅特性，微型燃燒器在穩(wěn)定的高溫環(huán)境中的催化燃燒等，提出了提高微細(xì)尺度預(yù)混、催化重整燃燒效率、充分利用微空間換熱、減少散熱損失的措施，并得到了相關(guān)影響因素的變化規(guī)律。有助于推進(jìn)微細(xì)尺度催化燃燒特性的深入研究，充實(shí)和豐富了微細(xì)尺度催化燃燒的研究成果，也為相關(guān)技術(shù)（微旋流預(yù)混技術(shù)、微細(xì)尺度催化重整與燃燒等）的開發(fā)與應(yīng)用提供了重要的參考依據(jù)。為微型發(fā)動(dòng)機(jī)碳?xì)淙剂先紵夹g(shù)打下基礎(chǔ)，對(duì)推動(dòng)微型發(fā)電動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)展，具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和工