高電壓下濃/稀天然氣燃燒特性的對比研究

房建峰，姚永玉，周 輝，葛述卿，賈貴西

(洛陽理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，洛陽 471023)

0 概述

天然氣是當(dāng)今應(yīng)用非常廣泛的清潔替代能源，在國民經(jīng)濟(jì)長期可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)中起著重要作用[1]。作為天然氣主要成分的甲烷，其分子結(jié)構(gòu)中的C—H鍵能(415.2 kJ/mol) 比較大，超過一般有機(jī)物分子結(jié)構(gòu)中的C—C鍵能(347.2 kJ/mol)。因此，天然氣燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^慢，燃燒持續(xù)時間較長，散熱損失較大，在稀燃狀況下更是如此。在實(shí)際應(yīng)用中采取適當(dāng)?shù)姆椒ㄌ岣呒淄榛鹧娴膫鞑ニ俣葘Ω纳铺烊粴獾娜紵苡斜匾?。理論分析證明，外加電場能夠有效地促進(jìn)甲烷的燃燒過程[2]。

碳?xì)淙剂显谌紵龝r，火焰中被檢測到存在一定量的帶電離子，包括陽離子、陰離子和自由電子[3-4]。在外加電場作用下，這些帶電離子的運(yùn)動狀態(tài)會發(fā)生改變，從而影響燃燒火焰的傳播和燃燒特性[5-7]。例如，文獻(xiàn)[3]中發(fā)現(xiàn)外加電場可使本生燈火焰光滑的表面產(chǎn)生褶皺，火焰燃燒速率也有一定程度的增加，而且火焰溫度也有所升高。文獻(xiàn)[5]中發(fā)現(xiàn)直流電場可提高本生燈火焰的吹熄速率，增強(qiáng)火焰的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[7]中發(fā)現(xiàn)外加電場可改變噴射火焰的形狀，促進(jìn)燃料和空氣的進(jìn)一步混合，使得CO的排放量降低。

在電場作用的各種火焰中，球形膨脹火焰屬于火焰形態(tài)隨時間迅速變化的瞬態(tài)火焰。其作用原理是將一定濃度的可燃混合氣充入密閉容彈中，在容彈中心點(diǎn)燃混合氣，燃燒火焰呈圓球形向外傳播發(fā)展。定容燃燒在能源與動力工程領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如，點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)混合氣的燃燒過程就接近于定容裝置中的火焰燃燒。研究電場對球形膨脹火焰的作用效果在實(shí)際工程中有一定價值。本試驗(yàn)以定容燃燒裝置為基礎(chǔ)，探討了高電壓下濃/稀甲烷-空氣混合氣的燃燒特性,并通過分析加載電場時火焰中自由電子的運(yùn)動變化及其對天然氣燃燒的作用，進(jìn)一步說明電場影響火焰燃燒的機(jī)理，為提高改善球形膨脹天然氣火焰的燃燒性能提供了可靠的理論基礎(chǔ)和新的思路與方法。

1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)采用的定容燃燒裝置如圖1所示，主要由定容燃燒彈、紋影攝像系統(tǒng)、燃料配置系統(tǒng)、高壓電極、壓力采集系統(tǒng)和點(diǎn)火系統(tǒng)等組成。定容燃燒彈是由不銹鋼制成的兩端通透的圓柱形空殼體，其內(nèi)腔直徑為130 mm，高度為130 mm。殼體內(nèi)裝有聚四氟乙烯絕緣套，壁厚為5 mm，長度為130 mm。容彈前后端裝有厚15 mm的石英玻璃，以便通過紋影成像系統(tǒng)由高速攝像機(jī)(HG-100K)拍攝燃燒過程的火焰?zhèn)鞑D像。與點(diǎn)火回路相連的點(diǎn)火電極垂直安裝在定容燃燒彈的中心處，其外圍包有聚四氟乙烯以屏蔽點(diǎn)火電極對容彈中高壓電場的影響。燃料配置系統(tǒng)根據(jù)試驗(yàn)要求向容彈中充入合適濃度的甲烷-空氣混合氣，其中試驗(yàn)用的干空氣由體積分?jǐn)?shù)為21%的氧氣和79%的氮?dú)饨M成。測量混合氣燃燒壓力變化的傳感器為KISTLER 4075A10型壓阻式絕對壓力傳感器，與之相連的壓力采集裝置為Yokogawa公司生產(chǎn)的DL750型采集儀，采集頻率為10 kHz。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

在容彈中產(chǎn)生作用于燃燒火焰電場的高壓電極為不銹鋼制成的網(wǎng)狀圓盤，形狀如圖2所示。圓盤外徑為60 mm，圓盤中網(wǎng)格尺寸為8.5 mm×8.5 mm。一對高壓電極安裝在定容燃燒彈中心線的左右兩側(cè)，與容彈中心的距離均為35 mm。試驗(yàn)中連接網(wǎng)狀電極的高壓電源由咸陽威斯曼公司生產(chǎn)，其電壓范圍為0 kV～30 kV。

圖2 高壓電極示意圖

燃燒室、高壓電極和測量裝置的安裝布置示意圖如圖3所示。試驗(yàn)是在常溫常壓下進(jìn)行的，根據(jù)混合氣的過量空氣系數(shù)把相應(yīng)質(zhì)量的空氣和甲烷通過水銀壓力計(jì)充進(jìn)燃燒室，利用壓力計(jì)汞柱高度的變化確定進(jìn)入燃燒室中甲烷和空氣的多少。試驗(yàn)中混合氣處于濃燃和稀燃狀態(tài)，其相應(yīng)的過量空氣系數(shù)λ分別為0.8和1.4，加載電壓U為0 kV、5 kV和 10 kV。在混合氣燃燒過程中拍攝火焰的傳播圖像，并采集容彈中混合氣的燃燒壓力。每個試驗(yàn)工況至少重復(fù)3次以上，使混合氣燃燒壓力p的最大值及其出現(xiàn)時間t保持穩(wěn)定不變。例如，λ為0.8的混合氣加載10 kV電壓時，最終燃燒壓力的發(fā)展結(jié)果如圖4所示。重復(fù)試驗(yàn)中火焰燃燒壓力的發(fā)展基本一致，壓力峰值及峰值時間幾乎完全相同。

圖3 燃燒室、高壓電極和測量裝置安裝布置示意圖

圖4 燃燒壓力發(fā)展的重復(fù)結(jié)果(λ=0.8、U=10 kV)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 高電壓下容彈中的電場分布

為了更準(zhǔn)確地分析容彈中外加電場對火焰燃燒的作用，本文利用Ansoft Maxwell 13.0軟件對容彈中的電場分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。首先依據(jù)燃燒室的形狀和尺寸建立三維模型，并根據(jù)各組成部分的材料(聚四氟乙烯、石英玻璃、甲烷-空氣混合氣、不銹鋼、鉑(點(diǎn)火電極材料))加載各自的相對介電常數(shù)。甲烷的相對介電常數(shù)與空氣非常接近，因此甲烷-空氣混合氣的相對介電常數(shù)用空氣的數(shù)值替代。高壓電極加載5 kV和10 kV電壓，點(diǎn)火電極和容彈外圍電壓為0 kV。對模型劃分網(wǎng)格后即可求解，計(jì)算結(jié)果的迭代誤差不超過0.1%。

圖5為高壓電極加載10 kV電壓時在容彈中心的電場分布狀況?？梢钥吹?，容彈內(nèi)部的電場分布沿水平和豎直方向?qū)ΨQ。電場強(qiáng)度較高的區(qū)域主要集中在高壓電極附近，數(shù)值約為5.6×105V/m。點(diǎn)火電極附近的電場強(qiáng)度大約為3.1×105V/m。在點(diǎn)火電極和高壓電極之間的區(qū)域內(nèi)電場強(qiáng)度相對較低，且比較均勻。經(jīng)分析模擬結(jié)果可知其平均電場強(qiáng)度約為2.0×105V/m。從電場方向的分布可以看出，在兩個高壓電極之間電力線基本保持在水平方向，左半部分電場方向水平向右，而右半部分電場方向水平向左。加載5 kV電壓時，容彈中的電場強(qiáng)度數(shù)值的分布狀況與圖5(a)相似，只是相同位置的數(shù)值減小一半，而電場方向與圖5(b)相同。

圖5 加載電壓10 kV時容彈中的電場分布

2.2 高電壓作用下的火焰?zhèn)鞑顩r

圖6和圖7顯示了加載電場下λ為0.8和1.4時混合氣燃燒火焰的傳播狀況。加載0 kV電壓(即容彈中沒有電場作用)時，點(diǎn)火以后燃燒火焰大致呈圓球形向外擴(kuò)散發(fā)展，水平方向和豎直方向上的火焰?zhèn)鞑顩r基本一致。加載5 kV電壓時，水平方向的火焰?zhèn)鞑ビ兴涌?，而豎直方向上火焰與沒有電場時的狀況差別不大，混合氣的火焰形狀發(fā)生一定程度的變化。加載電壓升高到10 kV時，水平方向的火焰發(fā)展進(jìn)一步加快，而豎直方向上火焰發(fā)展與沒有電場時的狀況仍然相差不大。在0 kV、5 kV和10 kV電壓作用下，λ為1.4時的火焰在12 ms時，水平方向的火焰?zhèn)鞑ゾ嚯x分別為16.3、19.1和21.7 mm，而豎直方向的傳播距離則分別為16.1、17.1和 16.7 mm。從圖中也可看出，高電壓下球形膨脹火焰的形狀發(fā)生較大變化，原來近似圓球形的火焰形狀變成了主軸在水平方向上的近似橢圓形。

圖6 高電壓作用下λ為0.8時不同加載電壓及火焰發(fā)展 時間下的火焰?zhèn)鞑D像

圖7 高電壓作用下λ為1.4時不同加載電壓及火焰發(fā)展 時間下的火焰?zhèn)鞑D像

根據(jù)一般的離子風(fēng)理論[13]，火焰中的陽離子在其中起主導(dǎo)作用。由于陽離子的受力方向與電場的方向一致，因此電場方向上的火焰發(fā)展會由于離子風(fēng)的促進(jìn)作用而加快，電場相反方向上的火焰發(fā)展則會受到抑制而減慢。在本試驗(yàn)中，從圖5可知，高壓電極之間電場方向大致指向容彈豎直方向的中心線，與水平方向上的火焰?zhèn)鞑セ鞠喾?。然而，圖6和圖7表明高電壓下水平方向上的火焰發(fā)展不僅沒有減慢，反而隨電場的增強(qiáng)而加快。

N2(v=0)+e=N2(v=1)+e

(1)

受到激發(fā)振動的氮分子通過碰撞可把它的振動能量傳遞給混合氣中別的中性粒子，特別是氧分子，即：

N2(v=1)+O2(v=0)=N2(v=0)+O2(v=1)

(2)

在以上鏈?zhǔn)交瘜W(xué)反應(yīng)中，v=0和v=1分別代表中性粒子位于基態(tài)和激發(fā)態(tài)。處于激發(fā)態(tài)的O2可加速下列鏈分支基元反應(yīng)：

O2+H=OH+O

(3)

該反應(yīng)中活性基OH、O的生成量隨自由電子運(yùn)動的增強(qiáng)而提高，由此促進(jìn)了燃燒化學(xué)反應(yīng)，使得高電壓下的火焰?zhèn)鞑ゼ涌臁?/p>

為了定量地表示高電壓下球形膨脹火焰發(fā)展?fàn)顩r，測取了電場促進(jìn)火焰燃燒最明顯的水平方向的火焰?zhèn)鞑グ霃??？紤]到容彈中電場的空間分布較復(fù)雜，且火焰前鋒面呈現(xiàn)圓凸形，測量火焰半徑ru時取火焰圖片中與容彈中心水平線成0°、±15°、±165°和180°共6個方向上火焰半徑(r1、r2、r3、r4、r5、r6)的平均值，如圖8所示。為了消除點(diǎn)火能量及燃燒壓力和溫度的升高對火焰?zhèn)鞑サ挠绊懀鶕?jù)球形火焰的相關(guān)原理[16]，火焰半徑的測量范圍控制在 5～25 mm之間。

圖8 火焰半徑測取示意圖

圖9表示了高電壓作用下λ為0.8和1.4時火焰的傳播半徑ru隨時間的變化關(guān)系及其標(biāo)準(zhǔn)偏差，圖中各處半徑ru的標(biāo)準(zhǔn)偏差的數(shù)值不超過0.1。可以看出，電壓為0 kV時，ru隨時間的變化近似呈線性關(guān)系。λ為0.8時的火焰半徑發(fā)展較快，而λ為1.4時的火焰半徑發(fā)展相對較慢。本試驗(yàn)中的火焰?zhèn)鞑グ霃脚c已發(fā)表的相關(guān)文獻(xiàn)的數(shù)據(jù)基本一致[11]。在高壓電極上加載電壓時，火焰半徑達(dá)到25 mm時所用時間縮短，加載電壓越大，火焰?zhèn)鞑ニ脮r間越短。當(dāng)加載電壓為5 kV和10 kV時，λ為1.4時的火焰半徑達(dá)到25 mm時所用時間分別為16.8 ms和14.1 ms，比 0 kV 電壓下所用時間(21.0 ms)分別縮短了20.0%和32.9%。綜上可知，高壓電場促進(jìn)了火焰半徑的發(fā)展。

圖9 高電壓作用下火焰半徑隨時間的發(fā)展

根據(jù)火焰?zhèn)鞑グ霃?，本文中求出了燃燒火焰在火焰?zhèn)鞑グ霃?～25 mm之間的火焰平均速度Sn，其增長率ΔSn為加載電場時的Sn相對于沒有電場作用下S0的增長率，即：

Sn=(0.025-0.005)/(t25-t5)

(4)

ΔSn=(Sn-S0)/S0

(5)

式中，t25和t5表示從點(diǎn)火到火焰半徑傳播到25和 5 mm 時的時間。表1為電場作用下λ為0.8和1.4時混合氣的火焰平均速度Sn及其增長率ΔSn?？梢钥闯?，在電場作用下，火焰平均速度增大。加載電壓越高，火焰平均速度的增加率越大，其中稀燃混合氣火焰速度的增加程度最大。加載電壓10 kV時，λ為0.8和1.4時的火焰平均速度分別比未加電場時增加了36.4%和49.5%。

表1 高電壓作用下的火焰平均速度及其增長率

從火焰形狀的變化可以看出，水平方向上的火焰?zhèn)鞑ゼ涌?，加大了火焰前鋒向未燃火焰區(qū)的彎曲程度，由此增強(qiáng)了火焰?zhèn)鞑ミ^程受到的拉伸效應(yīng)[17]?；鹧婷娴睦煨?yīng)的強(qiáng)弱可用拉伸率來表示，其定義為火焰面上無限小微元面積A的自然對數(shù)對時間的導(dǎo)數(shù)。根據(jù)燃燒學(xué)關(guān)于火焰拉伸的相關(guān)理論[18]，球形膨脹火焰的拉伸率α計(jì)算公式為：

(6)

根據(jù)試驗(yàn)中火焰的傳播狀況，計(jì)算出高電壓作用下火焰拉伸率隨傳播半徑的變化及其標(biāo)準(zhǔn)偏差，如圖10所示。圖中各處拉伸率的標(biāo)準(zhǔn)偏差均不超過4.5。球形火焰的拉伸率在燃燒初期較大，隨著火焰的傳播逐漸減小。在沒有電場作用時，在半徑15 mm處，λ為0.8和1.4時的火焰拉伸率分別為160.2 s-1和128.5 s-1。在高壓電場作用下，火焰?zhèn)鞑ミ^程中火焰前鋒受到的拉伸率增強(qiáng)。在10 kV電壓下，在半徑15 mm處，λ為0.8和1.4時的火焰拉伸率分別為245.3 s-1和195.1 s-1，相對于沒有電場作用時分別增大了53.1%和51.6%。

圖10 高電壓作用下火焰拉伸率隨半徑的發(fā)展

2.3 高電壓作用下燃燒壓力的發(fā)展

圖11顯示了高電壓作用下λ為0.8和1.4時混合氣的燃燒壓力隨時間的變化?？梢钥闯?，點(diǎn)火以后混合氣的燃燒過程存在著火滯燃期，在此階段容彈內(nèi)的燃燒壓力基本保持不變，和初始壓力幾乎相同。經(jīng)過滯燃期以后，燃燒壓力迅速升高，直至到達(dá)壓力峰值。隨著燃燒過程的進(jìn)一步發(fā)展，燃燒壓力開始緩慢降低。在外加電場作用下，混合氣燃燒的滯燃期縮短，急燃期的壓力升高率增大，且峰值時間tp提前。加載電壓越高，燃燒壓力的變化越明顯。表2給出了高電壓作用下λ為0.8和1.4時混合氣的燃燒壓力峰值(pmax)、峰值時間(tp)及pmax和tp相對于未加電場時的增長率Δpmax和Δtp?？梢钥闯?，λ為1.4時混合氣的峰值時間的增長率Δtp比λ為0.8時混合氣的增長率Δtp相對大一些。同時，λ為1.4時的壓力峰值pmax有所提高，而λ為0.8時的pmax幾乎沒有變化。在加載10 kV電壓時，λ為0.8和1.4時混合氣的燃燒壓力峰值的增長率分別為 -0.4% 和5.1%，而峰值時間分別提前了10.8%和17.2%。

圖11 高電壓作用下燃燒壓力隨時間的發(fā)展

表2 高電壓作用下壓力峰值、峰值時間及其增長率

在加載電場作用下火焰的傳播發(fā)展加快，相同時間內(nèi)有更多的未燃混合氣參與燃燒反應(yīng)，且效果隨著加載電場的增強(qiáng)而更加強(qiáng)烈，火焰燃燒滯燃期縮短，急燃期的壓力升高率增大，壓力峰值時間提前。而燃燒壓力峰值的變化主要取決于火焰的燃燒強(qiáng)度和燃燒過程對外界的散熱量[18]，由圖6和圖7可知，高電壓作用下火焰前鋒受到額外的拉伸作用，其效果隨電場的增強(qiáng)而增大。拉伸效應(yīng)會影響混合氣中各組分的擴(kuò)散狀況，導(dǎo)致擴(kuò)散速度較大的組分在火焰前鋒中的濃度有所提高，由此改變了火焰前鋒中燃燒混合氣的濃度，從而影響火焰的燃燒強(qiáng)度。在甲烷-空氣混合氣中，甲烷對氮?dú)獾臄U(kuò)散速度大于氧氣對氮?dú)獾臄U(kuò)散速度，因此拉伸作用將會提高燃燒火焰中甲烷的濃度[18]。在稀燃火焰中，甲烷的濃度相對較低，拉伸作用提高燃燒火焰中甲烷的濃度，將使得火焰燃燒區(qū)中的反應(yīng)物濃度向靠近當(dāng)量比濃度的方向變化，使得火焰的燃燒化學(xué)反應(yīng)更劇烈，增強(qiáng)火焰的燃燒強(qiáng)度。同時，火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募涌鞙p少了燃燒過程的對外散熱。因此電場作用下，稀燃混合氣的壓力峰值有一定程度的提高。對于濃燃混合氣，火焰中甲烷的濃度相對較高。拉伸作用進(jìn)一步提高燃燒反應(yīng)區(qū)中甲烷的濃度，導(dǎo)致火焰前鋒中反應(yīng)物的濃度進(jìn)一步偏離當(dāng)量比濃度，減弱火焰的燃燒強(qiáng)度，同時火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊募涌鞙p少了燃燒過程的對外散熱。二者共同作用，使?jié)馊蓟旌蠚獾膲毫Ψ逯底兓淮蟆?/p>

3 結(jié)論

(1) 在加載電場作用下，球形膨脹火焰在電場相反方向上的火焰?zhèn)鞑ゼ涌欤鹧鎮(zhèn)鞑グ霃胶推骄鹧嫠俣入S外加電場的增強(qiáng)而增大，同時火焰前鋒在發(fā)展過程中受到的拉伸效應(yīng)增強(qiáng)。加載10 kV電壓時，λ為0.8和1.4時混合氣的火焰平均傳播速度比沒有電場作用時分別增加了36.4%和49.5%。

(2) 在加載電場作用下，混合氣的燃燒過程加快，結(jié)合火焰前鋒受到的拉伸作用，使得甲烷空氣混合氣燃燒壓力的峰值時間提前，稀燃混合氣的壓力峰值增大，而濃燃混合氣的壓力峰值變化不大。加載10 kV電壓時，λ為0.8和1.4時混合氣的壓力峰值時間比沒有電場作用時分別提前了10.8%和17.2%，而λ為0.8時混合氣的壓力峰值基本不變，λ為1.4時混合氣的壓力峰值升高了5.1%。