【摘要】：實際使用的大多數(shù)燃料都為混合液體,混合液體是指含有兩種以上組分的液體體系,混合液體中含有物理化學(xué)性質(zhì)不同的各種組分,組分之間的相互作用會使得混合液體在燃燒過程中呈現(xiàn)出與單組份燃料燃燒不同的特征,因此本文基于氣液相平衡理論研究了典型混合可燃液體的池火特性,為油品的儲存、運輸安全提供理論支撐。本文的研究主要包括以下內(nèi)容:(1)將氣液相平衡理論引入到油池火的氣液相界面蒸發(fā)傳熱研究中。多組分燃料的物理化學(xué)性質(zhì)特征最終是由微觀的分子熱力學(xué)相互作用決定的,本文詳細(xì)介紹了多組分液體在蒸發(fā)過程中的組分和物理化學(xué)性質(zhì)的變化,并且將互溶的混合液體分為兩類:共沸液體和近理想液體,并描述了兩種液體的基本物理化學(xué)性質(zhì)。(2)根據(jù)混合溶液的相平衡特征,配制了兩種典型的混合燃料:正庚烷/二乙二醇二甲醚(DGM)混合物和正庚烷/乙醇混合物,并進(jìn)行了兩種典型的混合液體的池火燃燒特性實驗,測試了兩種混合燃料的池火特征參數(shù),包括燃燒速率、油池溫度變化、火焰輻射特征、火焰中心溫度等。結(jié)果表明共沸液體的燃燒過程與單組份液體類似,燃燒過程中混合液體的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,揮發(fā)出的混合液體蒸汽組成也是恒定的,蒸汽中的組分等于共沸混合比例。近理想液體在燃燒過程中不能形成穩(wěn)定的混合物,液相和氣相組成一直在發(fā)生變化,因而混合液體的物理化學(xué)性質(zhì)也發(fā)生了變化。因此,共沸機(jī)理和非共沸機(jī)理在混合液體對混合液的燃燒過程有重要的影響。對不同比例的共沸型的混合液體的典型燃燒過程進(jìn)行了詳細(xì)討論,發(fā)現(xiàn)了三種典型的燃燒模式,通過理論計算了三個區(qū)域的邊界值,提出了基于錐形量熱儀數(shù)據(jù)的液相實時組分計算方法,驗證了三個區(qū)域的界定。(3)利用錐形量熱儀研究了實際含氧混合燃料的燃燒特性和燃燒產(chǎn)物情況。利用錐形量熱儀對含氧的混合燃料燃燒效率和燃燒產(chǎn)物情況進(jìn)行了研究,得到了混合燃料燃燒效率的基礎(chǔ)數(shù)據(jù):一氧化碳產(chǎn)率、CO/CO2比率、能量轉(zhuǎn)化率和碳轉(zhuǎn)化率。通過各項數(shù)據(jù)對混合液體的燃燒效率表征進(jìn)行了研究,結(jié)果表明CO的產(chǎn)率不能有效地表征液體的不完全燃燒情況,能量轉(zhuǎn)化率和碳轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)才能有效地對燃燒的不完全性進(jìn)行表征,這說明燃料的不完全燃燒主要是產(chǎn)生了碳煙。(4)基于錐形量熱儀平臺開展了含氧混合燃料油池在外界輻射條件下的點燃特性研究,研究表明不同類型的含氧添加劑對混合燃料的點燃時間影響模式不同。航煤/DGM混合液體的點燃時間可以很好地用Janssens的0.55冪指數(shù)模型來擬合,而航煤/乙醇混合物的點燃時間不能用該模型來擬合,通過Janssens點燃模型推導(dǎo)的邊界條件來討論了該模型的適用性,結(jié)果表明該模型適用于混合燃料閃點高于環(huán)境溫度的情況。(5)基于二元混合液體燃燒過程的研究結(jié)論,發(fā)現(xiàn)了兩種典型的油池火燃燒過程,并對每個過程的燃燒特點進(jìn)行了描述。第一種為航空煤油/DGM混合燃料為代表,燃燒過程可以分為五個階段。第二種以航空煤油/乙醇混合燃料為代表,其燃燒過程可以分為兩個進(jìn)程:進(jìn)程A和進(jìn)程B。進(jìn)程A和進(jìn)程B分別包括三個燃燒階段。對于航空煤油/乙醇混合燃料,根據(jù)不同燃燒時期的液體表面沸騰溫度數(shù)據(jù)與混合液體的相平衡溫度特征分析表明,其燃燒過程中兩個燃燒進(jìn)程分別受乙醇和航空煤油的燃燒主導(dǎo),根據(jù)HRR數(shù)據(jù)計算了燃燒過程中每個組分的燃燒速率,結(jié)果與燃燒主導(dǎo)模式結(jié)論相符,燃燒產(chǎn)物數(shù)據(jù)C02/CO和碳轉(zhuǎn)化率數(shù)據(jù)同樣也具有相同的特征。當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)小于40%時,混合液體的初始沸點大約為120℃,當(dāng)乙醇體積分?jǐn)?shù)大于40%時,混合液體的初始沸點大約等于乙醇的沸點,而混合液體油池燃燒后期的沸點溫度不受混合比例的影響,與純航煤的沸程相近。(6)擴(kuò)展了混合液體池火的研究范圍,開展了鹽離子混合溶液池火燃燒特性的研究,以幾種典型的含六氟磷酸鋰的鋰離子電解液為研究對象,進(jìn)行了油池火實驗,根據(jù)氣液相平衡理論,得到了電解液溶劑的T-X圖,結(jié)合電解液池火實驗結(jié)果,將電解液池火的燃燒過程主要分為3個階段:(Ⅰ)低沸點組分控制階段,(Ⅱ)中間過渡階段,(Ⅲ)高沸點組分控制階段。鋰電池混合物油池燃燒在低沸點控制階段中,鋰鹽通過焰色反應(yīng)改變了初始火焰的焰色,但是火焰的輻射特性不受影響,鹽主要在過渡階段和高沸點組分控制階段大量發(fā)生熱解反應(yīng)并釋放出大量白色煙氣。
【圖文】：

添加含氧燃料添加劑或者直接使用含氧替代燃料［１ＣＭ５］，理想的含量添加劑主要包逡逑括醚類添加劑、醇類添加劑、酯類添加劑［１６］，三種類型的含氧燃料主要的含氧官逡逑能團(tuán)如圖１．２所示。逡逑＼0Ｈ邐醇類逡逑醚類逡逑ｍｍ逡逑0逡逑圖１．２醇類、醚類、酯類含氧燃料的官能團(tuán)結(jié)構(gòu)圖逡逑醚類添加劑中一種比較理想的含氧燃料為二乙二醇二甲醚（ＤＧＭ），二甲醚逡逑具有較氋的十六烷值，并且含氧量較高，與柴油能夠進(jìn)行互溶，前人的研宄表明逡逑ＤＧＭ添加劑能夠有效地降低碳煙的排放［１６］。醇類燃料來源廣泛，生產(chǎn)成本低，逡逑是潛在的替代燃料［１７］，其中的代表燃料為乙醇，現(xiàn)在研究最多的是乙醇與柴油和逡逑乙醇互溶形成乙醇柴油和乙醇汽油［１８—２１］，研宄結(jié)果表明乙醇添加劑可以使得發(fā)動逡逑機(jī)的碳煙排放降低。酯類燃料經(jīng)常作為柴油的替代燃料，與柴油進(jìn)行混合，形成逡逑混合生物質(zhì)柴油，，生物質(zhì)柴油己經(jīng)通過美國能源部門的認(rèn)可，屬于清潔環(huán)保、替逡逑代能源添加劑

不同邊界條件（低壓低氧、受限空間等）下的油池火燃燒特性等。油池火的燃燒逡逑速率是一個重要的研宄方面，Ｂｌｉｎｏｖ［３２］提出油池火在不同的尺寸下由不同的流動逡逑傳熱機(jī)制控制，如圖１．３所示。Ｈｏｔｔｅｌ【３３］等人研宄表明，根據(jù)油池尺寸，油池火逡逑的傳熱流動模式可以分為三個區(qū)域：層流（Ｄ邋＞邋０．０３ｍ）、過渡狀態(tài)（０．０３ｍ邋＜Ｄ邋＜ｌｍ）逡逑和揣流（Ｄ邋＞邋ｌｍ）邋，Ｂａｂｒａｕｓｋａｓ［３４］結(jié)合油池火的熱反饋傳熱方式，又進(jìn)一步將油逡逑池火的燃燒模式分為以下４種，如表１．２所示。逡逑Ｇａｓｏｆｃｏ＊邐＊邋２0逡逑－－Ｉ逡逑Ｉ；：逡逑Ｌａｍｒｔａｔ邋Ｂｏｗ邋ｒ？ｇｉｍ？邐ＴｒａｎＭｎｎ邐Ｔｕｒｏｕｌａｎｉ邋ｆｌｏｗ邋ｒ？ｇｍ？逡逑Ｉ邋１１邋ｔｉｌ邐ｔ邋１１邋：邋Ｉ邋Ｓ邐１邋Ｉ邋ｉ邐Ｉ邐ｉ邋Ｉ邐Ｉ邐ＩＩ邋ＩＩＩ邐Ｊ邋Ｉ逡逑０．４邐１邐２３４６８邋１０邐２邐３邋４邐６邐Ｂ邋１００邐２邐３邋４邐６邐１０００邐３０００逡逑Ｐａｎ邋ａａｍｅｉｅｆ邋（ｃｍ）逡逑圖１．３油池火燃燒速率隨油池尺寸的變化逡逑４逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TE88

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本文編號：2701166