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微细通道内甲烷/湿空气催化着火特性研究

来源:论文学术网
时间:2024-08-18 21:04:01
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微细通道内甲烷/湿空气催化着火特性研究【摘要】:微型装置如微型传感器、微型飞行器、调节器、微型医疗器械、微泵、微型马达等,其在国防、科研、医疗和工业等前沿领域应用广泛。微燃烧器能量

【摘要】:微型装置如微型传感器、微型飞行器、调节器、微型医疗器械、微泵、微型马达等,其在国防、科研、医疗和工业等前沿领域应用广泛。微燃烧器能量密度远高于传统供能方式,微尺度燃烧的研究已成为国内外学者研究热点。微燃烧器中存在诸多问题如燃料难以着火、快速着火,燃料难以稳定燃烧等急需解决。本文主要针对微细通道内甲烷/湿空气催化着火过程展开研究。研究中主要采用数值模拟方法研究了甲烷催化着火温度特性,甲烷极限着火特性及燃烧稳定特性、催化着火暂态特性、恒定壁面温度下的甲烷催化燃烧特性,并采用实验方法研究了操作条件(主要包括甲烷/氧气当量比,进气流量以及反应器尺寸)及水蒸气浓度对甲烷催化着火特性的影响。 针对微型燃烧器内甲烷难以快速着火和稳定燃烧的问题,采用数值方法和实验方法对操作条件对甲烷催化着火过程的影响进行了研究。研究结果表明:甲烷/氧气当量比减小,进口流速增加,壁面催化剂负载密度减小,甲烷着火温度升高,其需要更高的预热能量才能着火。当燃料反应气体积流量恒定时,进气压力增加,甲烷着火温度升高,不利着火。水蒸气的加入会使甲烷着火温度升高,甲烷需要更高热量才能着火。对于微尺度燃烧,表面散热损失越大,着火温度会提高,需要提高预热温度才能使燃料着火。当体积流量一定时,在尺寸较大的反应器中,甲烷能够在较低的温度下发生着火。从微圆管内甲烷催化着火过程的暂态模拟发现,甲烷/氧气当量比增加,着火发生越快。进口流速增加,燃料在反应器中的停留时间减少,甲烷着火越快且甲烷稳定时间缩短。进气压力增加,着火温度的提高以及单位时间内氧化放热量提高,导致着火发生越快。水蒸气的添加对甲烷催化着火起到一定的延迟作用。且添加的水蒸气浓度越大,甲烷催化着火发生就越推迟。 采用数值方法对壁面物性参数对甲烷催化着火的影响进行了研究。研究结果表明:壁面导热系数增大,甲烷催化着火极限当量比减小,着火区间扩大。低速段下,决定熄火的主要原因为表面热量损失;高速段下,熄火极限急剧增大,出现吹熄。当进口流速较高时,增加甲烷浓度能够明显提高甲烷燃烧稳定性。对于恒定壁面温度的催化燃烧,壁面温度与进口流速对甲烷催化氧化影响最大。当未达到着火温度时,当量比和进口流速的增加有助于甲烷催化氧化。 采用实验方法分析了水蒸气对甲烷催化着火特性的影响。研究结果表明:添加的水蒸气浓度增加,T10和T90相应提高。反应气中未加入水蒸气时,甲烷着火温度为525℃;当加入的水蒸气浓度为5%、10%、15%及20%时,着火温度分别为575℃、590℃、610℃和645℃。添加的水蒸气浓度越大,甲烷着火越不易。壁面温度为550℃时,长时间操作实验,水蒸气使甲烷转化率明显的下降。当壁面温度继续提高,其打破了水蒸气吸附/解吸附的平衡,减弱水蒸气对甲烷催化转化的影响。 本文研究有助于改进和优化微型燃烧器,并且推进微尺度燃烧技术的深入研究,对微型装置的设计具有一定学术指导意义及工程价值。 【关键词】:微细通道 甲烷/湿空气 催化着火 操作条件
【学位授予单位】:重庆大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TK16
【目录】:
  • 摘要3-5
  • ABSTRACT5-10
  • 1 绪论10-22
  • 1.1 课题研究背景及意义10
  • 1.2 国内外研究现状及发展趋势10-22
  • 1.2.1 微尺度燃烧器研究现状10-15
  • 1.2.2 微通道内甲烷催化燃烧研究进展15-20
  • 1.2.3 微通道内甲烷催化着火研究进展20
  • 1.2.4 国内外关于甲烷/湿空气微尺度催化着火研究不足20-21
  • 1.2.5 本文主要研究内容21-22
  • 2 甲烷/湿空气催化燃烧物理模型及数学模型的建立22-30
  • 2.1 物理模型22
  • 2.2 数学模型22-23
  • 2.3 反应机理及计算方法23-27
  • 2.3.1 反应机理23-26
  • 2.3.2 计算方法26-27
  • 2.4 模型正确性验证27-29
  • 2.5 小结29-30
  • 3 甲烷/湿空气催化着火特性实验系统及方法30-40
  • 3.1 实验系统及装置30-33
  • 3.2 催化剂的制备及活性测试33-37
  • 3.2.1 整体式催化剂的制备34-35
  • 3.2.2 整体式催化剂的活性测试35-37
  • 3.3 实验流程37-38
  • 3.4 实验数据处理方法38
  • 3.5 小结38-40
  • 4 微细通道内甲烷/湿空气催化着火过程数值研究40-70
  • 4.1 微细通道内甲烷/湿空气催化着火温度特性研究40-48
  • 4.1.1 当量比的影响41-42
  • 4.1.2 进口流速的影响42-44
  • 4.1.3 壁面催化剂负载密度的影响44
  • 4.1.4 进气压力的影响44-46
  • 4.1.5 水蒸气浓度的影响46-47
  • 4.1.6 表面对流换热系数的影响47-48
  • 4.2 微细通道内甲烷极限着火及燃烧稳定性研究48-53
  • 4.2.1 壁面导热系数的影响48-51
  • 4.2.2 进口流速的影响51-52
  • 4.2.3 表面对流换热系数的影响52-53
  • 4.3 微细通道内甲烷/湿空气催化着火暂态特性研究53-60
  • 4.3.1 当量比的影响55-57
  • 4.3.2 进口流速的影响57
  • 4.3.3 进气压力的影响57-58
  • 4.3.4 水蒸气浓度的影响58-60
  • 4.4 恒定壁面温度下微细通道内甲烷/湿空气催化燃烧特性研究60-68
  • 4.4.1 催化壁面温度的影响60-61
  • 4.4.2 当量比的影响61-62
  • 4.4.3 进口流速的影响62-65
  • 4.4.4 进气压力的影响65-67
  • 4.4.5 水蒸气浓度的影响67-68
  • 4.5 小结68-70
  • 5 实验研究结果及分析70-80
  • 5.1 微细通道内甲烷催化着火特性研究70-75
  • 5.1.1 当量比的影响70-72
  • 5.1.2 进口流速的影响72-74
  • 5.1.3 流道尺寸的影响74-75
  • 5.2 添加水蒸气对微细通道内甲烷催化着火特性的影响75-78
  • 5.2.1 添加水蒸气对特征温度的影响75-77
  • 5.2.2 添加水蒸气对 Pt 催化燃烧稳定性的影响77-78
  • 5.3 小结78-80
  • 6 结论及展望80-82
  • 6.1 本文主要结论80-81
  • 6.2 工作展望81-82
  • 致谢82-84
  • 参考文献84-90
  • 附录90
  • A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录90
  • B. 作者在攻读学位期间参加的科研项目90


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