磁场下液体乙醇微尺度扩散火焰的实验研究*

杨泽亮 陈邵有 甘云华 赵剑剑

(华南理工大学电力学院,广东广州 510640)

目前,微机电设备正引起越来越多学者的关注[1-2],而对微燃烧的研究是制造微机电设备的基础.微型燃烧系统的特征长度很小,其流动、传热和燃烧具有的特性,与大尺寸的燃烧系统有许多不同.夏云春等[3]研究了磁场对气体燃料火焰特性的影响,发现磁场能够改变火焰的燃烧特性,火焰的高度和温度随着磁场角度的改变而变化较大,而后该变化逐渐减慢.王宇等[4]研究了电场对火焰形状及碳烟沉积特性的影响,发现火焰中较大颗粒多带正电.强磁场能够影响物质中原子的电子运动,在化学反应中利用磁场的作用,可以改变分子或原子的化学反应进程或反应速率.由于反应物和产物所显示出的磁性不同,它们之间的化学反应在磁场作用下也会受到明显的影响[5].磁场对水、甲醇、乙醇、甲酸及乙酸在空气中的扩散过程具有正效应,即其在磁场中的扩散系数增大,定量计算表明,其扩散系数提高 4%～7%[6].对微尺度扩散燃烧火焰的研究对微燃烧系统有着重要的推动作用.尽管已有一些学者对气体燃料火焰特性进行了研究,但是关于液体燃料微尺度扩散火焰的研究还很少,尤其是实验方面的研究.

在前期的实验中,笔者对液体乙醇微尺度扩散火焰的特征结构、析碳、熄火等特性做了详细分析[7-8],并对电场对液体乙醇微尺度扩散火焰的影响规律做了一些实验研究[9-10].文中通过对液体乙醇微尺度扩散火焰施加不同强度的水平磁场,比较分析了磁场作用下微尺度扩散火焰的高度、温度以及火焰能够稳定燃烧的流量范围的变化.

1 实验装置与方法

图1 实验系统示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental system1—注射泵;2—注射器;3—铜套;4—陶瓷管;5—体视显微镜; 6—数字摄像头;7—计算机;8—磁场N级;9—磁场S级

表1 20℃时无水乙醇的物理性质Table 1 Physical properties of anhydrous ethanol at 20℃

实验在小型燃烧试验台上进行,试验台系统如图 1所示.实验选用无水乙醇作为燃料,20℃时无水乙醇的物理性质如表 1所示.通过微量注射泵供给无水乙醇并控制流量,注射泵的量程为1μL/h～63m L/h,允许误差＜1%.用陶瓷管作燃烧器,陶瓷管规格如表 2所示.固定陶瓷管的支架材料为黄铜,这是为了防止燃烧器在磁场的作用下产生磁化,从而影响到磁场对火焰特性的影响.磁铁共有 4块,尺寸均为50mm×50mm×25mm,每块磁铁的磁场强度N极为0.35T,S极为0.31T.通过调节磁铁的块数和磁铁离火焰中心的距离来调整火焰区的磁场强度,并通过 CTS27型磁强计来测量磁场的强度,磁强计的量程为0～2T,允许误差为±0.001T.火焰在大空间中燃烧,与周围空气进行自由换热,火焰的温度用 K型热电偶测量,热电偶的量程为 -50～1300℃,允许误差为 ±1℃.用体视显微镜观察火焰,采用“体视显微镜→数字摄像头→计算机”的方式取像,数字摄像头的型号为ProgRes C12plusCamera.通过Origin绘图软件辅助测量火焰化学反应区边界,首先确定可见光火焰边缘位置的相对值,再通过已知的陶瓷管外径按比例换算出可见光火焰高度和宽度值.

表2 实验用陶瓷管规格Table 2 Size of ceram ic tubes in experiment

2 实验结果与分析

2.1 磁场对火焰高度和温度的影响

用 3种内径的陶瓷管燃烧器进行实验,在乙醇流量分别为1.4、1.8mL/h时,火焰高度随磁场强度变化曲线如图2(a)、(b)所示.由图2可知,3种内径的陶瓷管燃烧器的火焰高度都随磁场强度的增大而减小,减小的幅度最大达到 9.8%.火焰温度随磁场强度的变化曲线如图3(a)、(b)所示.文中的火焰温度是指火焰的最高温度.由图 3可知,3种内径的陶瓷管燃烧器的火焰温度都随磁场强度的增大而增大,最大增加 12℃.这是由于对燃料燃烧的火焰,火焰中燃料的热解必然会产生一定数量的带电粒子,由于火焰内部燃烧条件的限制,使得这些带电粒子不能与空气中的氧很快结合,火焰内部燃烧不完全.因此,这些带电粒子必然会以离子的形式在火焰中存在一段时间.由于水平磁场的作用,火焰内部的离子或离子团由无序运动变为向火焰外侧的有序运动,与空气中的氧气结合,使燃烧更加剧烈,火焰的高度比原来变短,温度升高.

传统的气体射流层流扩散火焰模型理论指出[11],氧化剂流量超过燃料燃烧所需的化学恰当量时,火焰靠近圆柱管的中心线,这种火焰成为过通风火焰,过通风火焰的高度对应于燃料燃烧结束,并且对应于火焰与喷嘴中心相交的点上,这个高度可以根据燃料扩散到喷嘴中心线上所需的时间来估算.忽略浮力,即

式中:hL为火焰高度;vf为燃料初始平均速度;tdiff为燃料扩散到喷嘴中心线上所需的时间.根据气体动力学理论,由于分子扩散,分子的平均自由程的平方X2可以由下式给出:

图2 火焰高度随磁场强度变化的曲线Fig.2 Curves of flame height changing with magnetic field intensity

图3 火焰温度随磁场强度变化的曲线Fig.3 Curves of flame tamperature changing with magnetic field intensity

式中:D为分子扩散系数.因此

式中:rj为分子的平均自由程,考虑到燃料流量 qV即燃料的体积流量,qV=vf(πR2j),Rj为喷管半径,有

也就是说,火焰高度 hL与燃料流量成正比例,但与喷嘴尺寸无关.

由图2(a)、(b)可知,乙醇流量为1.4m L/h时的火焰高度比流量1.8m L/h时的火焰高度小,这个实验结论符合传统的气体射流层流扩散火焰模型理论.另外,从图2(a)、(b)可知,在相同乙醇流量下,陶瓷管内径为0.4mm时的火焰高度最大,0.6mm内径的次之,1.0mm内径对应的火焰高度最小.这个实验结论与传统的气体射流层流扩散火焰理论中提出的火焰高度与喷嘴尺寸无关的理论不相符.

由图3(a)、(b)可知,乙醇流量为1.4m L/h时,陶瓷管内径为0.4mm时的火焰温度最高,0.6mm内径的次之,1.0mm内径对应的火焰温度最低.而流量为1.8mL/h时,大内径陶瓷管火焰温度高.这说明小乙醇流量时,选用小的燃烧器可以减少热损失,故小内径陶瓷管对应的火焰温度高.而对于大的乙醇流量时,选用大的燃烧器有利于燃料更充分地燃烧,故大内径陶瓷管对应的火焰温度高.因此,对一定的燃料流量选择适当内径的燃烧器是非常必要的.

2.2 磁场对火焰稳定流量的影响

研究微尺度燃烧的熄火条件,防止熄火,对于微型燃烧系统的研制是一个关键问题.微尺度下燃烧不稳定会引起熄火,所以燃烧的稳定性是微燃烧特性中必须考虑的内容.燃烧的不稳定导致熄火,熄火现象依赖于表面状态(温度、材料、表面几何形状)和燃烧介质(温度、压力、成分、表面附近的气体动力学和火焰长度)等多个参数[12].

微燃烧有一个可稳定燃烧的范围,当燃料流量过小时,燃烧所生成的热量不足以维持火焰的稳定燃烧,这时火焰会发生猝熄的现象.把恰好可以点燃并且可以维持燃烧对应的流量称为稳定燃烧下限.当燃料的流量大到一定程度时,乙醇气化后的流动速度加快,会出现喷火现象,把此时对应的流量称为稳定燃烧上限.火焰能够稳定燃烧的流量范围叫作流量的稳定燃烧范围.

磁场对流量的稳定燃烧范围的影响如表 3所示.由表 3可知,随磁场强度的增大,火焰稳定燃烧下限逐渐减小,而稳定燃烧上限逐渐增大,即稳定燃烧范围扩大了.这是由于磁场的介入使得乙醇燃烧更剧烈,一方面提高了火焰温度,温度高的火焰相对更稳定;另一方面,降低了火焰高度,增大了燃烧半径,短而粗的火焰稳定性好.

表3 火焰的稳定燃烧流量范围随磁场强度的变化Table 3 The flow range of stable flame burning changing with themagnetic field intensity

3 结语

(1)对用乙醇作为燃料的微尺度扩散火焰,由于水平磁场的作用,火焰内部的离子或离子团由无序运动变为向火焰外侧的有序运动,与空气中的氧气结合,燃烧更加充分,火焰温度升高,高度变短.

(2)乙醇流量为1.4mL/h时的火焰高度比流量为1.8mL/h时的火焰高度小,对相同的乙醇燃料流量,陶瓷管内径为0.4mm时的火焰高度最大,0.6mm内径的次之,1.0mm内径对应的火焰高度最小.对小燃料流量,选用较小内径的燃烧器可以减小热损失,提高火焰温度;对大燃料流量,选用较大内径的燃烧器可以使燃料燃烧更完全,提高火焰温度.

(3)水平磁场可以扩大微尺度扩散火焰的稳定燃烧范围,使稳定燃烧下限逐渐减小,上限逐渐增大.

[1] Lian Y S,ShiW,Viieru D,et al.Membrane wing aerodynamics form icro air vehicles[J].Progress in Aerospace Sciences,2003,39(6/7):425-465.

[2] YangW M,Chou SK,Shu C,etal.Microscale combustion research for application to m icro thermophotovoltaic systems[J].Energy Conversion and Management,2003,44 (16):2625-2634.

[3] 夏云春,王清安.磁场对扩散火焰特性的影响 [J].火灾科学,2002,11(4):240-244.

Xia Yun-chun,Wang Qing-an.Effects ofmagnetic field on the characteristics of diffusion flame[J].Fire Safety Science,2002,11(4):240-244.

[4] 王宇,姚强.电场对火焰形状及碳烟沉积特性的影响[J].工程热物理学报,2007,28(2):237-239.

Wang Yu,Yao Qiang.Variation of flame shape and soot deposits by app lying electric fields[J].Journal of Engineering Thermophysics,2007,28(2):237-239.

[5] 丘纪华.磁场对煤粉着火温度影响的研究 [J].燃烧科学与技术,2002,8(5):461-463.

Qiu Ji-hua.Effected bymagnetic field at ignition temperature of the pulverized coal[J].Journal of Combustion Science and Technology,2002,8(5):461-463.

[6] 贾绍义,李磊,吴松海.永磁场对气体中分子传质过程的影响[J].化学工业与工程,2004,21(5):327-330.

Jia Shao-yi,Li Lei,Wu Song-hai.Influence of permanent magnetic field on the molecu lar mass-transfer p rocess in gas phase[J].Chemical Industry and Engineering,2004, 21(5):327-330.

[7] Yang Z L,Xu T,Gan Y H,Experimental study on the diffusion flame using liquid ethanol as fuel in mini-scale [C]∥Proceedings of Micro/Nanoscale Heat Transfer International Conference.Tainan:American Society of Mechanical Engineers,2008:853-858.

[8] Chen J,Peng X F,Yang Z L,et al.Characteristics of liquid ethanol diffusion flames from mini tube nozzles[J]. Combustion and Flame,2009(156):460-466.

[9] Yang Z L,Cheng J,Xu T,et al.Experimental study of small diffusion flame under strong electric field[C]∥Proceedings of Micro/Nanoscale Heat Transfer International Conference.Tainan:American Society of Mechanical Engineers,2008:841-844.

[10] 杨泽亮,董觉非,甘云华.电场作用下乙醇汽化及其扩散火焰特性的实验研究 [J].热科学与技术,2008, 7(3):279-284.

Yang Ze-liang,Dong Jue-fei,Gan Yun-hua.Experimental study on characteristics of alcohol vaporization and its diffusion flame under effect of DC field[J].Journal of Thermal Science and Technology,2008,7(3):279-284.

[11] 严传俊,范玮.燃烧学 [M].西安:西北工业大学出版社,2006.

[12] Hachert C L,Ellzey JL,Ezekoye O A.Effects of thermal boundary conditions on flame shape and quenching in ducts[J].Combustion and Flame,1998(112):73-84.