【摘要】：隨著微電機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展,微型供能系統(tǒng)因體積小、質(zhì)量輕、易便攜、能量密度高、供能時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到重視,有望為微推進(jìn)器、微發(fā)動(dòng)機(jī)和微燃燒器提供動(dòng)力。微型燃燒器中碳?xì)淙剂先紵呀?jīng)成為燃燒領(lǐng)域的重要研究方向之一。本論文以正丁醇為研究對(duì)象,圍繞微型燃燒器中正丁醇燃燒特性展開(kāi)研究,在催化燃燒特性、催化燃燒反應(yīng)總包化學(xué)動(dòng)力模型及燃燒器尺度效應(yīng)等方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,為正丁醇作為燃料在微推進(jìn)系統(tǒng)和微能源動(dòng)力系統(tǒng)中的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)參考數(shù)據(jù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究在4mm的石英管中以Pt/ZSM-5為催化劑的正丁醇催化燃燒反應(yīng),對(duì)比討論當(dāng)量比、流量對(duì)正丁醇催化效應(yīng)的影響,分析轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)物濃度、燃燒效率等催化燃燒特性,擬合計(jì)算表觀活化能。研究結(jié)果顯示,保持體積空速小于19080h-1,流量對(duì)正丁醇在該微小圓管內(nèi)的催化燃燒影響較小;氣體總流量不變,減小混合氣體的當(dāng)量比,正丁醇的轉(zhuǎn)化率大幅提高,表明氧在催化劑表面的吸附是正丁醇在Pt/ZSM-5表面反應(yīng)的主導(dǎo)因素。減少混合氣體的流量和減小混合氣體的當(dāng)量比,正丁醇的燃燒效率都會(huì)提高。正丁醇在Pt/ZSM-5上反應(yīng)的表觀活化能為(110±20)kJ/mol,在低當(dāng)量比、低流量下,正丁醇在催化劑下反應(yīng)的表觀活化能更小。在380至500K溫度范圍內(nèi)的微型石英管燃燒器中,對(duì)正丁醇/空氣/氮?dú)獾幕旌蠚怏w在Pt/ZSM-5催化劑下進(jìn)行催化氧化動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn),通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合構(gòu)建了 Power law mode模型和L-H模型(表面反應(yīng)或氧吸附為反應(yīng)速率的決定步驟),這三個(gè)模型都能較好地預(yù)測(cè)正丁醇在Pt/ZSM-5上的燃燒速率。Power lawmodel模型中,正丁醇和氧氣的反應(yīng)級(jí)數(shù)為1和-0.23。L-H模型中,將正丁醇氧化反應(yīng)分為五個(gè)基本反應(yīng)來(lái)預(yù)測(cè)反應(yīng)速率,通過(guò)擬合發(fā)現(xiàn),將氧吸附和表面反應(yīng)作為反應(yīng)決定步驟(RDS)都產(chǎn)生低的SSQ值,這表明氧吸附或表面反應(yīng)是確定反應(yīng)速度的關(guān)鍵步驟。比較實(shí)驗(yàn)和計(jì)算的反應(yīng)速率發(fā)現(xiàn)差異較小,確定了上述模型表達(dá)式的可靠性。對(duì)正丁醇/空氣的混合氣體在內(nèi)徑分別為1,2,4mm的填充床微圓管燃燒器進(jìn)行催化燃燒模擬,研究不同管徑的燃燒器正丁醇燃燒特性,探尋當(dāng)量比、流量對(duì)尺度效應(yīng)的影響,獲得了穩(wěn)燃范圍,管壁溫度等參數(shù)。管徑為4mm的燃燒器和管徑為2mm的燃燒器穩(wěn)燃下限曲線比較接近,管徑為1mm的燃燒器需要在相對(duì)較大的當(dāng)量比下才能穩(wěn)燃。保持入口流速不變,燃燒器中線線最高溫度和壁面最高溫度隨著當(dāng)量比升高也一直升高,且中心線最高溫度隨著管徑增加而增加。保持當(dāng)量比不變,隨著入口流速的增加,管徑為4mm、2mm的燃燒器中心線溫度曲線幾乎重疊,而1mm中心線溫度和4mm、2mm中心線溫度相差較大,且管徑為1mm的壁面最高溫度壁面隨著流速的增高不斷上升,此時(shí)流速對(duì)尺度效應(yīng)效果強(qiáng)烈。
【圖文】：

度高、供能時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)逐漸受到重視，可以很好的為微推進(jìn)器，微發(fā)動(dòng)機(jī)，微逡逑燃燒器提供動(dòng)力。微加工制造、微電子集成和信息技術(shù)的不斷進(jìn)步使得微型供能逡逑系統(tǒng)被廣泛用于汽車制造、環(huán)境監(jiān)控和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［１－３］。圖１．１［４］比較了鋰離逡逑子電池、幾種碳?xì)洌ㄌ細(xì)溲酰┗衔锶剂霞安煌l(fā)動(dòng)機(jī)的能量密度，可以看到目逡逑前可使用的最先進(jìn)的鋰離子電池能量密度也只有0．２ｋＷｈ／ｋｇ，是碳?xì)淙剂希ㄈ缂族义贤楹筒裼停┑模保叮啊Ｏ啾瘸Ｒ?guī)的化學(xué)電池，碳?xì)淙剂腺|(zhì)量輕、燃燒產(chǎn)物污染小，逡逑只需０．５％的燃燒熱轉(zhuǎn)化為電能即可提供與鋰離子電池相當(dāng)?shù)哪芰棵芏龋缫砸义义洗紴槿剂�，，只要熱電轉(zhuǎn)化率達(dá)到２．４％以上，就比化學(xué)電池更具優(yōu)勢(shì)。同時(shí)相比逡逑于化學(xué)電池，微型燃燒器中碳?xì)淙剂先紵鼮榄h(huán)保。逡逑＾邋0邋Ｌ邐祖一屋逡逑Ｉ嘗蠢ＩＩＩ鵠逡逑尖邐黑邋篇Ｉ邋１邋ＩＳ逡逑圖１．１鋰離子電池、幾種碳?xì)洌ㄌ細(xì)溲酰┗衔锶剂霞安煌l(fā)動(dòng)機(jī)能量密度的對(duì)比逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｅｎｅｒｇｙ邋ｄｅｎｓｉｔｙ邋ｏｆ邋ｌｉｔｈｉｕｍ邋ｉｏｎ邋ｂａｔｔｅｒｙ，邋ｓｅｖｅｒａｌ邋ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ邋（ｃａｒｂｏｎ邋ａｎｄ邋ｏｘｙｇｅｎ）邋ｆｕｅｌ邋ａｎｄ逡逑ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｅｎｇｉｎｅ逡逑由于微型燃燒器中碳?xì)淙剂先紵芰棵芏雀�、環(huán)保等顯著優(yōu)勢(shì)

邋■邋■逡逑圖１．２微型渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｂａｓｅｌｉｎｅ邋ｅｎｇｉｎｅ邋ｓｃｈｅｍａｔｉｃ逡逑３邋Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ逡逑／邋ｖｏｌｕｍｅ逡逑，，—⑷。ｉ邋），°°邋？。。ｍ0逡逑ｌ‘一ＭｗｉＭＦ逡逑１６００邋１２００邐（邋（邐５００邐４００邐３００邋Ｋ逡逑、，３逡逑圖１．３邋（ａ）熱回流裝置示意圖，（ｂ）邋（ｃ）邋（ｄ）“”瑞士卷”燃燒器實(shí)物逡逑Ｆｉｇ．邋１．３邋（ａ）Ｓｃｈｅｍｉｃ邋ｏｆ邋ｈｅａｔ邋ｒｅｃｕｌａｔｉｎｇ邋ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ，邋（ｂ）邋（ｃ）邋（ｄ）邋Ｓｗｉｓｓ－ｒｏｌｌ邋ｂｕｒｎｅｒ逡逑通過(guò)在微型燃燒器上涂覆催化劑可以穩(wěn)定燃燒，擴(kuò)大穩(wěn)燃極限，微型催化燃逡逑燒器應(yīng)運(yùn)而生。微型催化燃燒器主要分為平板微型催化燃燒器［ＵＭ７］和圓管催化燃逡逑燒器ＦａｎｆＵ等人加工制造了封閉式石英平板燃燒器，并將甲烷和空氣混合逡逑氣體從圓管入Ｄ進(jìn)入燃燒室，通過(guò)激光診斷技術(shù)可以獲得ＣＨ＊／ＯＨ＊在不同溫度，逡逑不同間距下的火焰發(fā)光圖像。Ｓａｉｋｉ［１２＞等人將兩塊石英平板不封閉平行放置
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TK16

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2592755