【摘要】：吸熱型碳?xì)淙剂献鳛橐环N可燃冷卻劑,在進(jìn)入燃燒室之前,流經(jīng)發(fā)動(dòng)機(jī)的高溫表面時(shí),既可以通過(guò)自身的熱容、相變熱等進(jìn)行物理吸熱,又可以通過(guò)熱裂解等反應(yīng)來(lái)進(jìn)行化學(xué)吸熱,從而有效地承擔(dān)飛行器的冷卻和推進(jìn)功能。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作流道中,碳?xì)淙剂咸幱诔R界狀態(tài),因此,碳?xì)淙剂显诔R界條件下的裂解、結(jié)焦和傳熱規(guī)律等科學(xué)問(wèn)題備受關(guān)注。本文圍繞吸熱型碳?xì)淙剂系臒岢翜y(cè)定、裂解動(dòng)力學(xué)以及納米添加劑的應(yīng)用等進(jìn)行比較詳細(xì)的研究,期望為吸熱型碳?xì)淙剂系墓こ虘?yīng)用提供一定的實(shí)驗(yàn)和理論依據(jù)。本文開(kāi)展的主要工作和取得的成果如下：模擬發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的單通道換熱結(jié)構(gòu),自行設(shè)計(jì)并建立了一套直流電加熱的熱沉測(cè)定裝置。用氮?dú)�、環(huán)己烷和對(duì)二甲苯對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行標(biāo)定,測(cè)定了儀器常數(shù)。以甲苯為標(biāo)準(zhǔn)物,在300～750℃、3.5 MPa、1g·s-1條件下進(jìn)行了校驗(yàn),與理論值相比,熱沉的測(cè)量誤差在3%以?xún)?nèi),測(cè)量精度可以滿(mǎn)足工程需求。以一種煤油基燃料為對(duì)象,考察了溫度(出口油溫550～750℃)、壓力(3～5 MPa)和流量(0.22～1g·s-1)等對(duì)燃料熱沉的影響。結(jié)果表明,溫度增加,燃料的熱沉顯著增加；流量增加,燃料的熱沉有所減�。粔毫Φ淖兓瘜�(duì)熱沉影響則較為復(fù)雜,主要是壓力不僅會(huì)影響燃料的裂解轉(zhuǎn)化率,同時(shí)也會(huì)改變裂解產(chǎn)物中的烯烴選擇性,兩個(gè)因素共同決定熱沉的變化。在熱沉測(cè)定裝置上,以正壬烷、正癸烷、正十一烷、正十二烷和正十三烷等5種正構(gòu)烷烴為模型燃料,在超臨界區(qū)域(450～750℃,3.5 MPa)考察了溫度和流量對(duì)正構(gòu)烷烴裂解轉(zhuǎn)化率和熱沉的影響。結(jié)果表明：隨著溫度的增加,正構(gòu)烷烴的裂解轉(zhuǎn)化率和熱沉顯著增加；流量增加,則會(huì)降低其轉(zhuǎn)化率和熱沉。相同條件下,由于結(jié)構(gòu)效應(yīng),長(zhǎng)鏈烷烴比短鏈烷烴的裂解轉(zhuǎn)化率大,長(zhǎng)鏈烷烴具有更高的化學(xué)熱沉。中低溫區(qū)域(550℃以下,3.5 MPa, 1g·s-1),正構(gòu)烷烴基本不發(fā)生化學(xué)反應(yīng),熱沉僅由物理熱沉貢獻(xiàn),使長(zhǎng)鏈烷烴的熱沉小于短鏈烷烴的熱沉；高溫區(qū)域(600℃以上,3.5 MPa,1 g·s-1),裂解轉(zhuǎn)化率升高,最大可達(dá)93%,化學(xué)熱沉占總熱沉比例逐漸增大,從3%增長(zhǎng)到38%,使化學(xué)熱沉大的長(zhǎng)鏈烷烴比化學(xué)熱沉小的短鏈烷烴具有更大的總熱沉。同時(shí),考察了5種正構(gòu)烷烴在710℃和750℃裂解時(shí)反應(yīng)管壁的結(jié)焦行為。結(jié)果表明,在相同反應(yīng)條件下,長(zhǎng)鏈烷烴裂解活性更高,產(chǎn)生較多的結(jié)焦前驅(qū)體導(dǎo)致了較多的焦炭生成。采用間歇式反應(yīng)釜,在410～440℃范圍內(nèi),研究了模型燃料雙環(huán)己烷的裂解動(dòng)力學(xué),計(jì)算出其裂解的活化能Ea=293 kJ·mol-1,指前因子A=6.22×1020 h-1。另外,與不同類(lèi)型的模型燃料進(jìn)行了比較,熱穩(wěn)定性順序?yàn)椋菏畾漭琳h(huán)己烷雙環(huán)己烷1,3,5-三異丙基環(huán)己烷正十二烷。對(duì)裂解產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè),發(fā)現(xiàn)雙環(huán)己烷裂解時(shí)首先生成環(huán)己烷和環(huán)己烯。環(huán)己烯逐漸發(fā)生二次反應(yīng)產(chǎn)生芳烴和小分子產(chǎn)物；環(huán)己烷則比較穩(wěn)定,幾乎不會(huì)被消耗。采用密度泛函理論對(duì)雙環(huán)己烷的裂解過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算,結(jié)合裂解產(chǎn)物分析給出了裂解機(jī)理。以十八烷基硫醇、十八烷基胺以及二者的混合物為配體,合成了3種粒徑在1～3 nm的親油性Pd納米顆粒,分別記為Pd@S、Pd@N和Pd@SN。將這3種納米顆粒添加到模型燃料十氫萘和煤油基燃料中形成納米流體,考察了它們的裂解性能。結(jié)果表明：對(duì)于燃料裂解,3種Pd納米顆粒都能起到一定的催化作用,使燃料的轉(zhuǎn)化率和熱沉有不同程度的提高,其中Pd@N的催化能力優(yōu)于Pd@S和Pd@SN。總結(jié)了7種模型燃料和5種實(shí)際燃料的基礎(chǔ)性質(zhì)和裂解性能,并與氫碳摩爾比(H/C)和相對(duì)分子量(M)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)。結(jié)果表明：燃料的體積熱值隨著H/C增加而減小；質(zhì)量熱值隨著H/C增加而增加；隨著(H/C)/M0·1和(H/C)/M0·5的增大,碳?xì)淙剂系拿芏群宛ざ葴p��；隨著(H/C)/M2的增大,燃料的閃點(diǎn)呈現(xiàn)出總體減小的趨勢(shì)。H/C越大,燃料裂解的產(chǎn)氣率和熱沉越高,結(jié)焦率越小。換言之,高H/C的燃料具有更好的裂解活性和更強(qiáng)的吸熱能力,而且不易結(jié)焦。分別考察了一種環(huán)烷基燃料(記為Fuel 1,含添加劑包,H/C=1.89)和一種石蠟基燃料(記為Fuel 5,H/C=2.10)在700～770℃,0.4～1.0 g·s-1和2.5～5.5MPa下的換熱安全性,及其與換熱溫度、進(jìn)料流量和操作壓力之間關(guān)系。結(jié)果表明：換熱溫度提高、進(jìn)料流量減小以及操作壓力升高都會(huì)在一定程度上縮短安全換熱時(shí)間。較高的換熱溫度和較低的流量有利于燃料熱沉的釋放,而高壓則會(huì)限制燃料熱沉的釋放。在相同條件下,Fuel 1比Fuel 5的安全換熱時(shí)間更長(zhǎng),但熱沉偏小。然而Fuel 1的密度比Fuel 5大6.8%,熱沉卻僅比Fuel 5小4.7-5.8%。從體積熱沉進(jìn)行比較,Fuel 1則更具有優(yōu)勢(shì)。從實(shí)際應(yīng)用角度分析,Fuel 1可以在工作溫度更高的發(fā)動(dòng)機(jī)中進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的安全換熱。
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TQ511.1
【圖文】：

逑的熱負(fù)荷與飛行馬赫數(shù)的平方成正比，在一定的飛行速度下，燃料提供的冷卻能逡逑力必須大于冷卻飛行器所需的熱沉值。圖１．１和圖１．２給出了未冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)表面逡逑的溫度、燃料所需的熱沉與飛行器馬赫數(shù)的關(guān)系�？桑卓闯�，當(dāng)飛行速度達(dá)到８逡逑Ｍａ時(shí)，未冷卻表面溫度達(dá)到３０００邋°Ｃ，此時(shí)需要冷卻劑提供４．６邋ＭＪＡｇ＇ｉ的熱沉。逡逑３０００：邐邐邐，，Ｉ邋，邋．邋‘邋Ｉ邋Ｉ邐．逡逑Ｉ邐ｕｎｃｏｏｉｅｄ邋ｃｏｍｂｕｓｔ

本文編號(hào)：2776551