【摘要】：隨著微電機系統(tǒng)的發(fā)展,微型供能系統(tǒng)因體積小、質量輕、易便攜、能量密度高、供能時間長等優(yōu)點逐漸受到重視,有望為微推進器、微發(fā)動機和微燃燒器提供動力。微型燃燒器中碳氫燃料燃燒已經成為燃燒領域的重要研究方向之一。本論文以正丁醇為研究對象,圍繞微型燃燒器中正丁醇燃燒特性展開研究,在催化燃燒特性、催化燃燒反應總包化學動力模型及燃燒器尺度效應等方面進行實驗和數值模擬研究,為正丁醇作為燃料在微推進系統(tǒng)和微能源動力系統(tǒng)中的應用提供理論基礎指導和實驗參考數據。通過實驗研究在4mm的石英管中以Pt/ZSM-5為催化劑的正丁醇催化燃燒反應,對比討論當量比、流量對正丁醇催化效應的影響,分析轉化率、產物濃度、燃燒效率等催化燃燒特性,擬合計算表觀活化能。研究結果顯示,保持體積空速小于19080h-1,流量對正丁醇在該微小圓管內的催化燃燒影響較小;氣體總流量不變,減小混合氣體的當量比,正丁醇的轉化率大幅提高,表明氧在催化劑表面的吸附是正丁醇在Pt/ZSM-5表面反應的主導因素。減少混合氣體的流量和減小混合氣體的當量比,正丁醇的燃燒效率都會提高。正丁醇在Pt/ZSM-5上反應的表觀活化能為(110±20)kJ/mol,在低當量比、低流量下,正丁醇在催化劑下反應的表觀活化能更小。在380至500K溫度范圍內的微型石英管燃燒器中,對正丁醇/空氣/氮氣的混合氣體在Pt/ZSM-5催化劑下進行催化氧化動力學實驗,通過對實驗數據的擬合構建了 Power law mode模型和L-H模型(表面反應或氧吸附為反應速率的決定步驟),這三個模型都能較好地預測正丁醇在Pt/ZSM-5上的燃燒速率。Power lawmodel模型中,正丁醇和氧氣的反應級數為1和-0.23。L-H模型中,將正丁醇氧化反應分為五個基本反應來預測反應速率,通過擬合發(fā)現(xiàn),將氧吸附和表面反應作為反應決定步驟(RDS)都產生低的SSQ值,這表明氧吸附或表面反應是確定反應速度的關鍵步驟。比較實驗和計算的反應速率發(fā)現(xiàn)差異較小,確定了上述模型表達式的可靠性。對正丁醇/空氣的混合氣體在內徑分別為1,2,4mm的填充床微圓管燃燒器進行催化燃燒模擬,研究不同管徑的燃燒器正丁醇燃燒特性,探尋當量比、流量對尺度效應的影響,獲得了穩(wěn)燃范圍,管壁溫度等參數。管徑為4mm的燃燒器和管徑為2mm的燃燒器穩(wěn)燃下限曲線比較接近,管徑為1mm的燃燒器需要在相對較大的當量比下才能穩(wěn)燃。保持入口流速不變,燃燒器中線線最高溫度和壁面最高溫度隨著當量比升高也一直升高,且中心線最高溫度隨著管徑增加而增加。保持當量比不變,隨著入口流速的增加,管徑為4mm、2mm的燃燒器中心線溫度曲線幾乎重疊,而1mm中心線溫度和4mm、2mm中心線溫度相差較大,且管徑為1mm的壁面最高溫度壁面隨著流速的增高不斷上升,此時流速對尺度效應效果強烈。
【圖文】：

度高、供能時間長等優(yōu)點逐漸受到重視，可以很好的為微推進器，微發(fā)動機，微逡逑燃燒器提供動力。微加工制造、微電子集成和信息技術的不斷進步使得微型供能逡逑系統(tǒng)被廣泛用于汽車制造、環(huán)境監(jiān)控和生物醫(yī)學等領域［１－３］。圖１．１［４］比較了鋰離逡逑子電池、幾種碳氫（碳氫氧）化合物燃料及不同發(fā)動機的能量密度，可以看到目逡逑前可使用的最先進的鋰離子電池能量密度也只有0．２ｋＷｈ／ｋｇ，是碳氫燃料（如甲逡逑烷和柴油）的１／６０。相比常規(guī)的化學電池，碳氫燃料質量輕、燃燒產物污染小，逡逑只需０．５％的燃燒熱轉化為電能即可提供與鋰離子電池相當的能量密度，如以乙逡逑醇為燃料，，只要熱電轉化率達到２．４％以上，就比化學電池更具優(yōu)勢。同時相比逡逑于化學電池，微型燃燒器中碳氫燃料燃燒更為環(huán)保。逡逑＾邋0邋Ｌ邐祖一屋逡逑Ｉ嘗蠢ＩＩＩ鵠逡逑尖邐黑邋篇Ｉ邋１邋ＩＳ逡逑圖１．１鋰離子電池、幾種碳氫（碳氫氧）化合物燃料及不同發(fā)動機能量密度的對比逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｏｆ邋ｌｉｔｈｉｕｍ邋ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｙ，邋ｓｅｖｅｒａｌ邋ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ邋（ｃａｒｂｏｎ邋ａｎｄ邋ｏｘｙｇｅｎ）邋ｆｕｅｌ邋ａｎｄ逡逑ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｅｎｇｉｎｅ逡逑由于微型燃燒器中碳氫燃料燃燒能量密度高、環(huán)保等顯著優(yōu)勢

邋■邋■逡逑圖１．２微型渦輪發(fā)動機逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｂａｓｅｌｉｎｅ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ逡逑３邋Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ逡逑／邋ｖｏｌｕｍｅ逡逑，，—⑷。ｉ邋），°°邋？。。ｍ0逡逑ｌ‘一ＭｗｉＭＦ逡逑１６００邋１２００邐（邋（邐５００邐４００邐３００邋Ｋ逡逑、，３逡逑圖１．３邋（ａ）熱回流裝置示意圖，（ｂ）邋（ｃ）邋（ｄ）“”瑞士卷”燃燒器實物逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋（ａ）Ｓｃｈｅｍｉｃ邋ｏｆ邋ｈｅａｔ邋ｒｅｃｕｌａｔｉｎｇ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，邋（ｂ）邋（ｃ）邋（ｄ）邋Ｓｗｉｓｓ－ｒｏｌｌ邋ｂｕｒｎｅｒ逡逑通過在微型燃燒器上涂覆催化劑可以穩(wěn)定燃燒，擴大穩(wěn)燃極限，微型催化燃逡逑燒器應運而生。微型催化燃燒器主要分為平板微型催化燃燒器［ＵＭ７］和圓管催化燃逡逑燒器ＦａｎｆＵ等人加工制造了封閉式石英平板燃燒器，并將甲烷和空氣混合逡逑氣體從圓管入Ｄ進入燃燒室，通過激光診斷技術可以獲得ＣＨ＊／ＯＨ＊在不同溫度，逡逑不同間距下的火焰發(fā)光圖像。Ｓａｉｋｉ［１２＞等人將兩塊石英平板不封閉平行放置
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TK16

【參考文獻】

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本文編號：2592755