磁場(chǎng)下液體乙醇微尺度擴(kuò)散火焰的實(shí)驗(yàn)研究*

楊澤亮 陳邵有 甘云華 趙劍劍

(華南理工大學(xué)電力學(xué)院,廣東廣州 510640)

目前,微機(jī)電設(shè)備正引起越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注[1-2],而對(duì)微燃燒的研究是制造微機(jī)電設(shè)備的基礎(chǔ).微型燃燒系統(tǒng)的特征長(zhǎng)度很小,其流動(dòng)、傳熱和燃燒具有的特性,與大尺寸的燃燒系統(tǒng)有許多不同.夏云春等[3]研究了磁場(chǎng)對(duì)氣體燃料火焰特性的影響,發(fā)現(xiàn)磁場(chǎng)能夠改變火焰的燃燒特性,火焰的高度和溫度隨著磁場(chǎng)角度的改變而變化較大,而后該變化逐漸減慢.王宇等[4]研究了電場(chǎng)對(duì)火焰形狀及碳煙沉積特性的影響,發(fā)現(xiàn)火焰中較大顆粒多帶正電.強(qiáng)磁場(chǎng)能夠影響物質(zhì)中原子的電子運(yùn)動(dòng),在化學(xué)反應(yīng)中利用磁場(chǎng)的作用,可以改變分子或原子的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程或反應(yīng)速率.由于反應(yīng)物和產(chǎn)物所顯示出的磁性不同,它們之間的化學(xué)反應(yīng)在磁場(chǎng)作用下也會(huì)受到明顯的影響[5].磁場(chǎng)對(duì)水、甲醇、乙醇、甲酸及乙酸在空氣中的擴(kuò)散過程具有正效應(yīng),即其在磁場(chǎng)中的擴(kuò)散系數(shù)增大,定量計(jì)算表明,其擴(kuò)散系數(shù)提高 4%～7%[6].對(duì)微尺度擴(kuò)散燃燒火焰的研究對(duì)微燃燒系統(tǒng)有著重要的推動(dòng)作用.盡管已有一些學(xué)者對(duì)氣體燃料火焰特性進(jìn)行了研究,但是關(guān)于液體燃料微尺度擴(kuò)散火焰的研究還很少,尤其是實(shí)驗(yàn)方面的研究.

在前期的實(shí)驗(yàn)中,筆者對(duì)液體乙醇微尺度擴(kuò)散火焰的特征結(jié)構(gòu)、析碳、熄火等特性做了詳細(xì)分析[7-8],并對(duì)電場(chǎng)對(duì)液體乙醇微尺度擴(kuò)散火焰的影響規(guī)律做了一些實(shí)驗(yàn)研究[9-10].文中通過對(duì)液體乙醇微尺度擴(kuò)散火焰施加不同強(qiáng)度的水平磁場(chǎng),比較分析了磁場(chǎng)作用下微尺度擴(kuò)散火焰的高度、溫度以及火焰能夠穩(wěn)定燃燒的流量范圍的變化.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與方法

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system1—注射泵;2—注射器;3—銅套;4—陶瓷管;5—體視顯微鏡; 6—數(shù)字?jǐn)z像頭;7—計(jì)算機(jī);8—磁場(chǎng)N級(jí);9—磁場(chǎng)S級(jí)

表1 20℃時(shí)無(wú)水乙醇的物理性質(zhì)Table 1 Physical properties of anhydrous ethanol at 20℃

實(shí)驗(yàn)在小型燃燒試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)如圖 1所示.實(shí)驗(yàn)選用無(wú)水乙醇作為燃料,20℃時(shí)無(wú)水乙醇的物理性質(zhì)如表 1所示.通過微量注射泵供給無(wú)水乙醇并控制流量,注射泵的量程為1μL/h～63m L/h,允許誤差＜1%.用陶瓷管作燃燒器,陶瓷管規(guī)格如表 2所示.固定陶瓷管的支架材料為黃銅,這是為了防止燃燒器在磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生磁化,從而影響到磁場(chǎng)對(duì)火焰特性的影響.磁鐵共有 4塊,尺寸均為50mm×50mm×25mm,每塊磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度N極為0.35T,S極為0.31T.通過調(diào)節(jié)磁鐵的塊數(shù)和磁鐵離火焰中心的距離來(lái)調(diào)整火焰區(qū)的磁場(chǎng)強(qiáng)度,并通過 CTS27型磁強(qiáng)計(jì)來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)的強(qiáng)度,磁強(qiáng)計(jì)的量程為0～2T,允許誤差為±0.001T.火焰在大空間中燃燒,與周圍空氣進(jìn)行自由換熱,火焰的溫度用 K型熱電偶測(cè)量,熱電偶的量程為 -50～1300℃,允許誤差為 ±1℃.用體視顯微鏡觀察火焰,采用“體視顯微鏡→數(shù)字?jǐn)z像頭→計(jì)算機(jī)”的方式取像,數(shù)字?jǐn)z像頭的型號(hào)為ProgRes C12plusCamera.通過Origin繪圖軟件輔助測(cè)量火焰化學(xué)反應(yīng)區(qū)邊界,首先確定可見光火焰邊緣位置的相對(duì)值,再通過已知的陶瓷管外徑按比例換算出可見光火焰高度和寬度值.

表2 實(shí)驗(yàn)用陶瓷管規(guī)格Table 2 Size of ceram ic tubes in experiment

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 磁場(chǎng)對(duì)火焰高度和溫度的影響

用 3種內(nèi)徑的陶瓷管燃燒器進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在乙醇流量分別為1.4、1.8mL/h時(shí),火焰高度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化曲線如圖2(a)、(b)所示.由圖2可知,3種內(nèi)徑的陶瓷管燃燒器的火焰高度都隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而減小,減小的幅度最大達(dá)到 9.8%.火焰溫度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化曲線如圖3(a)、(b)所示.文中的火焰溫度是指火焰的最高溫度.由圖 3可知,3種內(nèi)徑的陶瓷管燃燒器的火焰溫度都隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大而增大,最大增加 12℃.這是由于對(duì)燃料燃燒的火焰,火焰中燃料的熱解必然會(huì)產(chǎn)生一定數(shù)量的帶電粒子,由于火焰內(nèi)部燃燒條件的限制,使得這些帶電粒子不能與空氣中的氧很快結(jié)合,火焰內(nèi)部燃燒不完全.因此,這些帶電粒子必然會(huì)以離子的形式在火焰中存在一段時(shí)間.由于水平磁場(chǎng)的作用,火焰內(nèi)部的離子或離子團(tuán)由無(wú)序運(yùn)動(dòng)變?yōu)橄蚧鹧嫱鈧?cè)的有序運(yùn)動(dòng),與空氣中的氧氣結(jié)合,使燃燒更加劇烈,火焰的高度比原來(lái)變短,溫度升高.

傳統(tǒng)的氣體射流層流擴(kuò)散火焰模型理論指出[11],氧化劑流量超過燃料燃燒所需的化學(xué)恰當(dāng)量時(shí),火焰靠近圓柱管的中心線,這種火焰成為過通風(fēng)火焰,過通風(fēng)火焰的高度對(duì)應(yīng)于燃料燃燒結(jié)束,并且對(duì)應(yīng)于火焰與噴嘴中心相交的點(diǎn)上,這個(gè)高度可以根據(jù)燃料擴(kuò)散到噴嘴中心線上所需的時(shí)間來(lái)估算.忽略浮力,即

式中:hL為火焰高度;vf為燃料初始平均速度;tdiff為燃料擴(kuò)散到噴嘴中心線上所需的時(shí)間.根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)理論,由于分子擴(kuò)散,分子的平均自由程的平方X2可以由下式給出:

圖2 火焰高度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線Fig.2 Curves of flame height changing with magnetic field intensity

圖3 火焰溫度隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的曲線Fig.3 Curves of flame tamperature changing with magnetic field intensity

式中:D為分子擴(kuò)散系數(shù).因此

式中:rj為分子的平均自由程,考慮到燃料流量 qV即燃料的體積流量,qV=vf(πR2j),Rj為噴管半徑,有

也就是說,火焰高度 hL與燃料流量成正比例,但與噴嘴尺寸無(wú)關(guān).

由圖2(a)、(b)可知,乙醇流量為1.4m L/h時(shí)的火焰高度比流量1.8m L/h時(shí)的火焰高度小,這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論符合傳統(tǒng)的氣體射流層流擴(kuò)散火焰模型理論.另外,從圖2(a)、(b)可知,在相同乙醇流量下,陶瓷管內(nèi)徑為0.4mm時(shí)的火焰高度最大,0.6mm內(nèi)徑的次之,1.0mm內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的火焰高度最小.這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論與傳統(tǒng)的氣體射流層流擴(kuò)散火焰理論中提出的火焰高度與噴嘴尺寸無(wú)關(guān)的理論不相符.

由圖3(a)、(b)可知,乙醇流量為1.4m L/h時(shí),陶瓷管內(nèi)徑為0.4mm時(shí)的火焰溫度最高,0.6mm內(nèi)徑的次之,1.0mm內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的火焰溫度最低.而流量為1.8mL/h時(shí),大內(nèi)徑陶瓷管火焰溫度高.這說明小乙醇流量時(shí),選用小的燃燒器可以減少熱損失,故小內(nèi)徑陶瓷管對(duì)應(yīng)的火焰溫度高.而對(duì)于大的乙醇流量時(shí),選用大的燃燒器有利于燃料更充分地燃燒,故大內(nèi)徑陶瓷管對(duì)應(yīng)的火焰溫度高.因此,對(duì)一定的燃料流量選擇適當(dāng)內(nèi)徑的燃燒器是非常必要的.

2.2 磁場(chǎng)對(duì)火焰穩(wěn)定流量的影響

研究微尺度燃燒的熄火條件,防止熄火,對(duì)于微型燃燒系統(tǒng)的研制是一個(gè)關(guān)鍵問題.微尺度下燃燒不穩(wěn)定會(huì)引起熄火,所以燃燒的穩(wěn)定性是微燃燒特性中必須考慮的內(nèi)容.燃燒的不穩(wěn)定導(dǎo)致熄火,熄火現(xiàn)象依賴于表面狀態(tài)(溫度、材料、表面幾何形狀)和燃燒介質(zhì)(溫度、壓力、成分、表面附近的氣體動(dòng)力學(xué)和火焰長(zhǎng)度)等多個(gè)參數(shù)[12].

微燃燒有一個(gè)可穩(wěn)定燃燒的范圍,當(dāng)燃料流量過小時(shí),燃燒所生成的熱量不足以維持火焰的穩(wěn)定燃燒,這時(shí)火焰會(huì)發(fā)生猝熄的現(xiàn)象.把恰好可以點(diǎn)燃并且可以維持燃燒對(duì)應(yīng)的流量稱為穩(wěn)定燃燒下限.當(dāng)燃料的流量大到一定程度時(shí),乙醇?xì)饣蟮牧鲃?dòng)速度加快,會(huì)出現(xiàn)噴火現(xiàn)象,把此時(shí)對(duì)應(yīng)的流量稱為穩(wěn)定燃燒上限.火焰能夠穩(wěn)定燃燒的流量范圍叫作流量的穩(wěn)定燃燒范圍.

磁場(chǎng)對(duì)流量的穩(wěn)定燃燒范圍的影響如表 3所示.由表 3可知,隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大,火焰穩(wěn)定燃燒下限逐漸減小,而穩(wěn)定燃燒上限逐漸增大,即穩(wěn)定燃燒范圍擴(kuò)大了.這是由于磁場(chǎng)的介入使得乙醇燃燒更劇烈,一方面提高了火焰溫度,溫度高的火焰相對(duì)更穩(wěn)定;另一方面,降低了火焰高度,增大了燃燒半徑,短而粗的火焰穩(wěn)定性好.

表3 火焰的穩(wěn)定燃燒流量范圍隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化Table 3 The flow range of stable flame burning changing with themagnetic field intensity

3 結(jié)語(yǔ)

(1)對(duì)用乙醇作為燃料的微尺度擴(kuò)散火焰,由于水平磁場(chǎng)的作用,火焰內(nèi)部的離子或離子團(tuán)由無(wú)序運(yùn)動(dòng)變?yōu)橄蚧鹧嫱鈧?cè)的有序運(yùn)動(dòng),與空氣中的氧氣結(jié)合,燃燒更加充分,火焰溫度升高,高度變短.

(2)乙醇流量為1.4mL/h時(shí)的火焰高度比流量為1.8mL/h時(shí)的火焰高度小,對(duì)相同的乙醇燃料流量,陶瓷管內(nèi)徑為0.4mm時(shí)的火焰高度最大,0.6mm內(nèi)徑的次之,1.0mm內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的火焰高度最小.對(duì)小燃料流量,選用較小內(nèi)徑的燃燒器可以減小熱損失,提高火焰溫度;對(duì)大燃料流量,選用較大內(nèi)徑的燃燒器可以使燃料燃燒更完全,提高火焰溫度.

(3)水平磁場(chǎng)可以擴(kuò)大微尺度擴(kuò)散火焰的穩(wěn)定燃燒范圍,使穩(wěn)定燃燒下限逐漸減小,上限逐漸增大.

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