實(shí)驗(yàn)二 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定實(shí)驗(yàn)_第1頁
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文檔簡介

1、實(shí)驗(yàn)二 層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊臏y定實(shí)驗(yàn)一、 預(yù)備知識(shí)1、火焰?zhèn)鞑ズ突瘜W(xué)反應(yīng)燃燒發(fā)生了一系列化學(xué)反應(yīng),在這些反應(yīng)中,燃料在一些自由基例如O、OH、H碰撞下發(fā)生反應(yīng),產(chǎn)生更多的H或者是分解成更小的碎片。例如,CH4被連續(xù)地轉(zhuǎn)化成CH3,CH2,CH。最初形成的各種氧化的中間產(chǎn)物與燃料中的碳結(jié)合而首先變?yōu)镃O,并且燃料中的氫基變?yōu)镠2,所有的中間產(chǎn)物將接著進(jìn)一步氧化,再一次通過自由基的作用,而變?yōu)镃O2和H2O。總熱量的一大部分釋放都是發(fā)生在第二階段。這個(gè)次序使燃燒具有自持性,且只能夠發(fā)生在高溫下(如1500K以上)。因?yàn)橹挥性诟邷叵?,才能是自由基產(chǎn)生的速率比消耗的速率快,而這對(duì)燃料完全變形以及中間產(chǎn)物

2、的氧化是有必要的。當(dāng)點(diǎn)燃預(yù)混燃料時(shí),局部溫度將提高到一個(gè)非常高的值,提高了反應(yīng)速率,從而也引起燃料的燃燒,并且釋放出熱量。通過熱傳導(dǎo)把熱量引導(dǎo)到了未燃的相鄰區(qū)域,相鄰區(qū)域的溫度以及反應(yīng)率都提高了,因此燃燒就在那里發(fā)生了。我們知道,熱量的擴(kuò)散是火焰?zhèn)鞑サ脑颍紵▊鞑サ乃俣热Q于燃燒后的溫度以及未燃混合物的熱擴(kuò)散性。為了把高溫區(qū)域的自由基傳遞到與之接觸的低溫的未燃混合物中,質(zhì)量擴(kuò)散也是很重要的;通常質(zhì)量和熱擴(kuò)散率是相同的。在本實(shí)驗(yàn)中,未燃混合物的壓力和溫度與環(huán)境大氣一致?;鹧?zhèn)鞑ニ俣戎灰蕾囉诨旌衔镏械娜剂?氧化劑的數(shù)量,它們反過來又控制著火焰的溫度。貧油(<1)和富油(>1)的火焰

3、溫度比化學(xué)恰當(dāng)比(=1)時(shí)更低因?yàn)槠x化學(xué)恰當(dāng)比時(shí)多余的物質(zhì)吸收了由可燃燃料燃燒所產(chǎn)生的熱量。實(shí)際上,溫度最大值出現(xiàn)在當(dāng)量比比1稍大一些的地方,因?yàn)楫a(chǎn)物的比熱容比化學(xué)恰當(dāng)比時(shí)稍低。如果混合物過貧,燃?xì)鉁囟葘⑻?,而不能產(chǎn)生大量的自由基,因此火焰?zhèn)鞑プ兊貌豢赡?。如果混合物過富,大量的燃料將吸收自由基,因此使燃燒第二階段不能進(jìn)行。因此,火焰?zhèn)鞑ブ辉谀硞€(gè)當(dāng)量比范圍內(nèi)才有可能,這被稱為可燃極限。對(duì)于甲烷空氣混合物,其貧燃極限是=0.53,其富燃極限是=1.6。2、火焰穩(wěn)定性流動(dòng)中存在鈍體將在其后引起一個(gè)回流區(qū)的產(chǎn)生,這是由于在鈍體邊緣發(fā)生了氣流分離。如果流動(dòng)的是可燃混合物,并且對(duì)其點(diǎn)火,那么火焰就將穩(wěn)

4、定在回流區(qū)和自由流之間的剪切層中。這有兩個(gè)原因,一是因?yàn)樵诨亓鲄^(qū)的湍流邊界層中有質(zhì)量和熱量的交換,它們將熱的燃燒產(chǎn)物帶入回流區(qū),使之回流到火焰根部,形成一個(gè)連續(xù)的點(diǎn)火源;二是因?yàn)榛亓鳟a(chǎn)生了局部低速區(qū),因此火焰可能在高的自由流速下連續(xù)。回流區(qū)實(shí)際上在產(chǎn)生動(dòng)力的每一個(gè)場合都有應(yīng)用:在工業(yè)燃燒器、燃?xì)鉁u輪、煤發(fā)電站和加力燃燒室中。它可能是在高速流中穩(wěn)定火焰的唯一的實(shí)用的和低成本的方法。最后,當(dāng)速度過高時(shí),火焰將可能會(huì)熄滅或吹熄。一個(gè)直接的解釋就是,太高的氣流速度將會(huì)提高對(duì)流和紊流擴(kuò)散的能力,將熱從反應(yīng)區(qū)轉(zhuǎn)移,使溫度下降,因此易于發(fā)生熄火。另一種解釋是,我們提供了太多的反應(yīng)物,我們對(duì)火焰“要求太多”。

5、在燃燒理論中,這種情況經(jīng)常被表達(dá)成兩種時(shí)間尺度的比較:當(dāng)完成化學(xué)反應(yīng)所需要的時(shí)間比流體力學(xué)情況所允許的時(shí)間(例如,在反應(yīng)區(qū)的滯留時(shí)間)要長時(shí),就會(huì)發(fā)生熄火。包含這些想法的理論是基于良攪拌反應(yīng)器概念,它是實(shí)際回流區(qū)穩(wěn)焰的一種理想化模型。根據(jù)這個(gè)模型,如果火焰在回流區(qū)的滯留時(shí)間太短,使燃燒不能完成,那么火焰將會(huì)熄滅。這個(gè)滯留時(shí)間尺度等于鈍體的直徑除以自由來流的速度U,而化學(xué)時(shí)間尺度大約等于,其中SL是層流火焰?zhèn)鞑ニ俣龋菬釘U(kuò)散系數(shù)(等于k/cp ,其中k為導(dǎo)熱率,為密度,cp為比熱,所有的值都取室溫下的空氣的相應(yīng)值)。比率phys / chem叫作Damköhler數(shù),用Da表示。因此,

6、總的來說,在一個(gè)給定的燃燒室中,當(dāng)Da值低于某臨界值時(shí)火焰將會(huì)熄滅,該臨界值取決于燃燒器的外形參數(shù)。對(duì)于熄火還有其他 一些更復(fù)雜的理論,但是對(duì)于數(shù)據(jù)解釋,這種理論已經(jīng)足夠了。在本實(shí)驗(yàn)中,通過分別改變氣流流率和當(dāng)量比,連續(xù)改變著物理和化學(xué)的時(shí)間尺度。考察一下對(duì)于鈍體火焰,臨界Damköhler數(shù)的概念是否有效。為了將相應(yīng)理論從值班火焰尺寸的試驗(yàn)臺(tái)推廣到真實(shí)尺寸的燃燒器,這個(gè)概念在工業(yè)上用得非常廣泛,因此學(xué)習(xí)如何應(yīng)用這個(gè)概念是非常重要的。二、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、演示火焰?zhèn)鞑ミ^程和測定火焰?zhèn)鞑ニ俣取?、掌握測量層流火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊牧硪环N方法。三、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備火焰?zhèn)鞑ニ俣妊b置(圖1)由火焰?zhèn)鞑?shí)驗(yàn)臺(tái)架

7、一套,浮子流量計(jì)兩個(gè),空氣壓力表、甲烷壓力表各一個(gè),雙向開關(guān)一個(gè),點(diǎn)火開關(guān)一個(gè),甲烷流量調(diào)節(jié)開關(guān)一個(gè),單向電磁閥一個(gè),混合器一個(gè)、雙路直流穩(wěn)壓電源一臺(tái),數(shù)字計(jì)時(shí)器一臺(tái),周圍光源傳感器兩個(gè),強(qiáng)化石英玻璃管一個(gè),有機(jī)玻璃保護(hù)屏一個(gè),以及支架、點(diǎn)火火花塞、混氣管等組成。圖1 火焰?zhèn)鞑ニ俣妊b置火焰速度傳播實(shí)驗(yàn):將調(diào)節(jié)好恰當(dāng)?shù)幕旌蠚饨?jīng)過混合管,輸入到一根長1.5m、直徑25mm的石英玻璃管的一端口上進(jìn)行充氣,經(jīng)過約70秒管內(nèi)充足混合氣體,便將混合管移至窗外。石英玻璃管的另一端口有一點(diǎn)火器裝置將點(diǎn)燃,燃燒的火焰此時(shí)在玻璃管內(nèi)可觀察到火球傳播。沿著火球傳播玻璃管外,放置了兩個(gè)相距1.4米、用于感知火焰的周圍

8、光源傳感器,并配以相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)中將記錄火焰面先后通過這兩個(gè)傳感器的時(shí)間差,然后采用計(jì)算出火焰通過這兩個(gè)傳感器間的平均傳播速度。四、 實(shí)驗(yàn)原理空氣和燃?xì)庹{(diào)節(jié)好當(dāng)量比被分別輸送進(jìn)入一個(gè)混合管,該混合管連接一個(gè)內(nèi)徑為25mm石英玻璃管,用于火焰?zhèn)鞑ニ俣妊菔緦?shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)觀察火焰在一個(gè)石英玻璃管中的傳播,是屬于層流火焰?zhèn)鞑ミ^程,它的傳播速度是一個(gè)定值。通過測量火焰?zhèn)鞑サ臅r(shí)間和距離就能算出傳播的平均速度。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中,用于感知火焰面的兩傳感器的距離是固定不變的,為一個(gè)定值,這里主要測量火焰通過這段距離所用的時(shí)間,時(shí)間的測量是通過周圍光源傳感器感受到的火焰發(fā)光面信號(hào)傳給數(shù)字計(jì)時(shí)器,記錄這兩個(gè)信號(hào)

9、間的時(shí)間差就能知道火焰通過兩傳感器的傳播時(shí)間。五、 實(shí)驗(yàn)步驟1、圖1所示。打開壓縮空氣閥門(空氣壓力0.3Mpa),調(diào)節(jié)減壓閥出來的壓縮空氣符合實(shí)驗(yàn)壓力要求。2、打開甲烷氣罐閥門,調(diào)節(jié)減壓閥(甲烷壓力0.1MPa),符合實(shí)驗(yàn)要求。3、打開控制總開關(guān),接通電磁閥。4、調(diào)節(jié)浮子流量計(jì)使得壓縮空氣和甲烷流量達(dá)到當(dāng)量比為=1的流量。5、將甲烷氣體和壓縮空氣送入混合器,混合器將已知配比適合點(diǎn)燃的混合氣體送石英玻璃管一端中。6、大約經(jīng)過70秒,關(guān)閉甲烷調(diào)節(jié)控制閥,(迅速抽出混合管甩到窗外)管的兩個(gè)端口保持堵塞狀態(tài)35秒,以便混合氣體繼續(xù)混合,然后按點(diǎn)火器控制鍵,在玻璃管的另一端用點(diǎn)火電嘴點(diǎn)火。此時(shí)可以看見

10、一個(gè)火焰面從點(diǎn)火端向另一端傳播。觀察火焰?zhèn)鞑ガF(xiàn)象并記下火焰?zhèn)鞑r(shí)間。7、記錄兩個(gè)傳感器之間的距離S和過數(shù)字計(jì)數(shù)器傳過這段距離所用的時(shí)間t。8、重復(fù)實(shí)驗(yàn)幾次,求平均值。9、關(guān)閉甲烷氣瓶閥,關(guān)閉壓縮空氣閥。10、關(guān)閉電源和數(shù)字頻率計(jì)數(shù)器。11、實(shí)驗(yàn)結(jié)束。六、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理1、氣體流量由于本實(shí)驗(yàn)所用空氣為壓縮空氣,則其空氣壓力必然會(huì)對(duì)流量造成一定影響,浮子流量計(jì)的讀數(shù)用m3/h表示的體積流量。那么,由公式可知,壓力與體積成反比,用V測 表示實(shí)測的流量,可用公式算出常壓下的空氣體積流量Vair。2、當(dāng)量比對(duì)于空氣中的甲烷,化學(xué)恰當(dāng)燃料/空氣體積比為1: 9.542。3、誤差分析氣流速度的誤差大概為&#

11、177;5%,這是由于浮子高度的讀數(shù)誤差以及浮子流量計(jì)標(biāo)定和曲線擬合的誤差。因此在估計(jì)計(jì)算當(dāng)量比時(shí)的組合誤差同時(shí),還必須估計(jì)在測量火焰速度和貧油熄火極限時(shí)的誤差,這取決于操作者。火焰?zhèn)鞑ニ俣扔嘞叶桑涸O(shè)氣流與焰鋒法線方向成一夾角,可把氣流分解成兩個(gè)分速,一個(gè)是與焰鋒表面垂直的法向分速un,一個(gè)是與焰鋒表面平行的切向分速uT。前者產(chǎn)生的牽連運(yùn)動(dòng)將使焰鋒沿a-b順著焰鋒表面移動(dòng)。當(dāng)火焰穩(wěn)定時(shí),這兩個(gè)分速引起的焰鋒牽連運(yùn)動(dòng)將得到平衡和補(bǔ)償,亦即焰鋒相對(duì)于燈口的位置不變。顯然,與法向分速un相平衡的正是當(dāng)?shù)氐幕鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萿l,他們的大小相等而方向相反,從數(shù)值上看un=ul。由于所以這就是說,在火焰穩(wěn)定

12、時(shí),迎面氣流速度在火焰前鋒法向上的投影,即法向分速,在數(shù)值上必等于混氣的火焰?zhèn)鞑ニ俣?,這就是余弦定律。本生燈層流火焰?zhèn)鞑ニ俣扔?jì)算公式: 令內(nèi)錐表面積為Af,燈管的截面積為At,管內(nèi)的平均流速為Vt,層流火焰?zhèn)鞑ニ俣萐L就可以用連續(xù)方程來確定。由于錐體表面積Af大于Ar,所以SL必小于Vf。表1 當(dāng)量比與甲烷、空氣的流量對(duì)照表0.60.70.80.91.01.11.21.31.4Vair(m3/h)2.382.041.791.591.431.301.191.11.02VCH4(m3/h)0.15表2 理論的甲烷空氣混合物的層流火焰?zhèn)鞑ニ俣?.80.91.01.081.11.21.31.4SL(m/s)0.300.380.430.450.440.400.310.18七、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)點(diǎn)火前一定要確認(rèn)將混氣管移出石英玻璃管,并移至到窗外。監(jiān)控人員必須有一名學(xué)生專人負(fù)責(zé),向點(diǎn)火人員報(bào)告能否點(diǎn)火,接到監(jiān)控人員的可以點(diǎn)火指示。點(diǎn)火人員才能按點(diǎn)火按鍵?;鹧?zhèn)鞑ニ俣葴y量系統(tǒng)的調(diào)試:1將兩只傳感器分別安裝在距石英玻璃管體兩端口50毫米處

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