微型燃燒器內(nèi)強(qiáng)化換熱及甲烷催化重整燃燒特性研究

便攜式高效微動力裝置在國防、軍事和航空領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，但因微型燃燒動力裝置燃燒空間極小，存在常規(guī)燃燒難以進(jìn)行，燃料駐留時(shí)間急劇縮短，燃燒不完全，燃燒室面-容比增大，熱量損失嚴(yán)重等急需解決的問題。采用何種措施使燃料保持高效穩(wěn)定燃燒已成為微燃燒技術(shù)急需解決的關(guān)鍵問題。課題針對微型燃燒器中碳?xì)淙剂项A(yù)混、強(qiáng)化傳熱、催化重整及燃燒技術(shù)中關(guān)鍵問題展開研究，包括理論數(shù)值分析、實(shí)驗(yàn)研究兩個方面。將微型燃燒器劃為預(yù)混腔與燃燒腔，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、采取強(qiáng)化傳熱措施，提高預(yù)混和換熱效果，進(jìn)而提高甲烷的催化燃燒效率；研究并弄清了在優(yōu)化后微型燃燒器內(nèi)的預(yù)混與傳熱特性；預(yù)混腔內(nèi)甲烷/濕空氣在低溫（200℃-700℃）下催化重整產(chǎn)氫特性與關(guān)鍵控制參數(shù)；燃燒腔內(nèi)甲烷的催化燃燒特性與關(guān)鍵控制參數(shù)；得到了燃燒器內(nèi)能明顯改善甲烷燃燒性能的極限氫氣濃度；揭示了微型燃燒器內(nèi)預(yù)混傳熱特性、CH4/濕空氣催化重整反應(yīng)機(jī)理、燃燒行為。 2100433B

便攜式高效微動力裝置在國防、軍事和航空領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，但因微型燃燒動力裝置燃燒空間極小，存在常規(guī)燃燒難以進(jìn)行，燃料駐留時(shí)間急劇縮短，燃燒不完全，燃燒室面-容比增大，熱量損失嚴(yán)重等急需解決的問題。采用何種措施使燃料保持高效穩(wěn)定燃燒已成為微燃燒技術(shù)急需解決的關(guān)鍵問題。課題針對微型燃燒器中碳?xì)淙剂项A(yù)混、強(qiáng)化傳熱、催化重整及燃燒技術(shù)中關(guān)鍵問題展開研究，包括理論數(shù)值分析、實(shí)驗(yàn)研究兩個方面。將微型燃燒器劃為預(yù)混腔與燃燒腔，通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)、采取強(qiáng)化傳熱措施，提高預(yù)混和換熱效果，進(jìn)而提高甲烷的催化燃燒效率；研究并弄清在優(yōu)化后微型燃燒器內(nèi)的預(yù)混與傳熱特性；預(yù)混腔內(nèi)甲烷/濕空氣在低溫（200℃-700℃）下催化重整產(chǎn)氫特性與關(guān)鍵控制參數(shù)；燃燒腔內(nèi)甲烷的催化燃燒特性與關(guān)鍵控制參數(shù)；得到燃燒器內(nèi)能明顯改善甲烷燃燒性能的極限氫氣濃度；揭示微型燃燒器內(nèi)預(yù)混傳熱特性、CH4/濕空氣催化重整反應(yīng)機(jī)理和燃燒行為。

由于傳統(tǒng)換熱介質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)較小以及普通換熱管道的換熱效率低下，嚴(yán)重影響換熱設(shè)備換熱效率的提升。本項(xiàng)目將不同顆粒結(jié)構(gòu)的納米流體與強(qiáng)化換熱管相結(jié)合應(yīng)用于換熱設(shè)備中，對強(qiáng)化換熱管內(nèi)納米流體耦合傳熱特性及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究，用于提高換熱設(shè)備的換熱效率。研究內(nèi)容主要包括：將納米顆粒微觀結(jié)構(gòu)的影響引入顆粒間相互作用力模型中，建立更高精度的納米流體顆粒間相互作用力模型；耦合納米顆粒間主要相互作用力和強(qiáng)化換熱管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)，完成高階復(fù)雜湍流模型的降階處理，建立強(qiáng)化換熱管內(nèi)納米流體湍流流動與傳熱的格子Boltzmann模型；研究納米顆粒間的相互作用機(jī)理和納米顆粒的分布規(guī)律；揭示納米顆粒間相互作用力與強(qiáng)化換熱管結(jié)構(gòu)的耦合強(qiáng)化換熱機(jī)理；分析納米顆粒的微觀結(jié)構(gòu)對納米流體穩(wěn)定性和湍流流動與傳熱特性的影響，建立傳熱學(xué)與動力學(xué)特性的評價(jià)體系。該項(xiàng)目對于豐富納米流體強(qiáng)化換熱機(jī)理的研究、推動其應(yīng)用有重要意義。

由于傳統(tǒng)換熱介質(zhì)的熱容量和導(dǎo)熱系數(shù)較小以及普通換熱設(shè)備的換熱效率低下，嚴(yán)重影響換熱設(shè)備換熱效率的提升。本項(xiàng)目將納米流體與不同強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的換熱面相結(jié)合應(yīng)用于光熱轉(zhuǎn)換、換熱器、電子元件冷卻等領(lǐng)域的換熱設(shè)備中，對納米流體與強(qiáng)化傳熱面的耦合傳熱特性及強(qiáng)化機(jī)理進(jìn)行研究。針對光熱轉(zhuǎn)換的腔體，本項(xiàng)目建立了納米流體流動與傳熱的兩相格子Boltzmann模型，研究了納米顆粒間的相互作用機(jī)理和納米顆粒在腔體內(nèi)的分布規(guī)律，揭示了納米顆粒粒徑對流動與傳熱的影響規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)布朗力的數(shù)量級遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于顆粒間其它的作用力，在強(qiáng)化換熱方面起著決定性的作用，納米顆粒主要分布在腔體的上部或者中部，粒徑越小越有利于強(qiáng)化傳熱，這對光熱轉(zhuǎn)換腔體內(nèi)傳熱介質(zhì)及工況的選擇、傳熱機(jī)理的解釋及強(qiáng)化傳熱的方向提供了一定的指導(dǎo)意義。針對換熱器，本項(xiàng)目配制了不同種類的納米流體，提出了一種基于紫外分光光度計(jì)的穩(wěn)定性檢測方法-透過比法，該方法是一種定量檢測方法，與定性的沉淀法相比，具有更加準(zhǔn)確的優(yōu)勢。本項(xiàng)目將配制的納米流體與各種強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的換熱管相結(jié)合，研究了不同結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化換熱面、納米顆粒組分對流動與傳熱的影響，發(fā)現(xiàn)強(qiáng)化結(jié)構(gòu)與納米流體的結(jié)合大大提升了換熱效果，同時(shí)也大大增加了其流動阻力。為了能夠客觀、綜合地評價(jià)這些強(qiáng)化技術(shù)，引入了火用效率，但是傳統(tǒng)的火用效率需要針對每一個物理問題進(jìn)行模型建立及公式推導(dǎo)，過程繁瑣。本項(xiàng)目提出并建立了一種統(tǒng)一的火用效率評價(jià)準(zhǔn)則圖，與傳統(tǒng)的火用效率評價(jià)相比，本項(xiàng)目的火用效率評價(jià)準(zhǔn)則圖適用范圍更廣，只要涉及到強(qiáng)化手段，該評價(jià)準(zhǔn)則均可適用，并且不再需要單獨(dú)推導(dǎo)和建模，這對于以后新的強(qiáng)化技術(shù)在能的品質(zhì)上的綜合評價(jià)有一定的指導(dǎo)意義。針對電子元件冷卻，本項(xiàng)目研究了不同的強(qiáng)化換熱面與納米流體的結(jié)合，結(jié)果發(fā)現(xiàn)最大納米顆粒組分的冷卻效果不是最好，而是存在一個臨界組分，這對于電子元器件冷卻表面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、傳熱介質(zhì)及工況的選擇提供了一定的指導(dǎo)意義。

在20世紀(jì)70年代初期采用的是光滑管，換熱管水平放置，制冷劑蒸汽走管內(nèi),管外走空氣，主要用于空調(diào)器中制冷劑蒸汽的冷凝。為了強(qiáng)化管外的換熱，一般在管外加翅片。許多研究者對于光滑管內(nèi)的冷凝換熱的機(jī)理進(jìn)行了廣泛的研究，換熱管直徑在3~以上，制冷劑為純質(zhì)制冷劑、近共沸混合物制冷劑及非共沸混合物制冷劑。

研究證實(shí)，冷凝換熱的強(qiáng)度與流動狀態(tài)密切相關(guān)，光滑管內(nèi)的冷凝過程一般可分為環(huán)狀流、分層流、波狀流、團(tuán)狀流和柱狀流，團(tuán)狀流和柱狀流在冷凝過程的末端出現(xiàn)，不同的流動狀態(tài)，冷凝換熱系數(shù)的大小不同。而流動狀態(tài)是由蒸汽的剪切力和重力的大小決定的，當(dāng)蒸汽剪切力起主要作用時(shí)，流動表現(xiàn)為環(huán)狀流，當(dāng)重力起主要作用時(shí)，流動表現(xiàn)為分層流、波狀流和團(tuán)狀流。