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磁场强度对预混火焰的影响范文

时间:2022-08-09 12:11:54

磁场强度对预混火焰的影响

《热能动力工程杂志》2014年第三期

1实验方法

实验工况设置如表1所示。实验中液化气流量分别为2、3和4.5L/h、每种流量均在0、36和110V3种电压下产生的磁场中进行实验,主要研究内容包括火焰形状、温度分布、NOx浓度分布。实验开始前调整预混前空气及液化气流量,达到淡蓝色火焰后用直径5cm的玻璃试管罩住一段时间,若火焰不熄灭则符合实验条件,实验中燃气流量大于4.5L/h后,火焰不能保持稳定,以4.5L/h为上限向下取3个流量进行层流预混燃烧实验。为确保实验的精确度,实验均在黑屋内进行。在实验过程中,燃烧前测量磁场分布,燃烧过程中同时测量火焰特性(温度、外形)及NOx浓度。图2为坐标示意图,实验测试得到磁场强度、火焰温度、NOX浓度均与图中纵坐标相一致。以烧嘴中心为轴向上每隔5mm布置一个磁场测量点;每隔3mm布置一个温度测量点,与此同时用摄像头拍摄下火焰的照片观察火焰结构和形状的变化;每隔3mm布置一个NOx浓度测量点,其中磁场测量点的横坐标为0mm,温度和NOx浓度测量点紧贴火焰面外缘,且在不影响火焰燃烧状态下进行。采集实验数据采用多次测量取其平均值的原则,为减小误差剔除个别与其它数据明显不符的错误数据。为了保证各工况实验条件一致,在进行完一组实验以后,待各实验设备完全降至室温后再开始下一组实验。

2实验结果与分析

2.1磁场分布磁场源由两个电磁线圈构成,铁芯相距40mm,通过改变线圈电压来改变磁场强度,磁场分布如图3所示。从图中可以看出磁场最大值在距离烧嘴16mm处,磁场先增大后减小,由于火焰比较短,所以实验过程一直处于强磁区中,不同电压下的磁场强度相差比较大。

2.2磁场强度对火焰形状的影响图4是在不同液化气流量下,火焰在3种磁场(0V、36V、110V)中的形状对比。跟据火焰软件分析及火焰图片得出如表2中所列结果。总结得到,在3种液化气流量下,随着磁场强度的增加,火焰长度有所下降,火焰最大直径有所增加。出现此现象的原因是气体燃料燃烧反应属连锁反应中的支链反应,由于火焰燃烧的不完全性产生了活化中心,活化中心(各种带电离子或离子团)在火焰传播过程中起到很重要的作用。火焰燃烧在无磁场工况中,活化中心随着气流向上运动;而在有磁场工况中,活化中心受到磁场中洛伦兹力的作用改变了原来的运动轨迹,向两侧运动,降低了向上的运动速度,且加剧了喷嘴出口处火焰的燃烧,所以外加磁场后火焰直径有所增加,火焰的高度略微降低。

2.3磁场强度对火焰温度的影响测温点在火焰面外缘紧贴火焰面,测量数据只反应了火焰温度的相对变化,并不代表火焰温度的绝对值。图5为在不同液化气流量下,火焰在3种磁场(0V、36V和110V)中的温度分布对比。用origin软件分析实验数据得到结论:(1)液化气流量为2L/h时火焰温度分布如图5(a)所示。可以看出在Z=16mm以下范围,火焰面温度呈线性增长均低于680℃,且各监测点的度增长幅度比较明显,在Z=+6mm处火焰面温度差幅达到了峰值,110V工况下的火焰面温度比无磁场工况提高了52℃。说明受磁场强度的影响,火焰面温度有所升高,且随着磁场强度的增大,温度升高的幅度增大,在Z=+18mm以上时磁场对火焰面温度无太大影响。(2)液化气流量为3L/h时火焰面温度分布如图5(b)所示。可以看出在Z=+16mm以下范围,火焰面温度呈线性增长,且各监测点有一定的温度增长幅度。在Z=+6mm处火焰面温度差幅达到了峰值,110V工况下的火焰面温度比无磁场工况提高了47℃。说明受磁场强度影响,火焰面温度有所升高,且随着磁场强度的增大,温度升高的幅度也在增大。在Z=+18mm以上时磁场对火焰面温度无太大影响。(3)液化气流量为4.5L/h时的火焰面温度分布如图5(c)所示。可以看出在Z=+16mm以下范围,火焰面温度呈线性增长,且各监测点有一定的温度增长幅度。在Z=+12mm处火焰面温度差幅达到了峰值,110V工况下的火焰面温度比无磁场工况提高了47℃。说明受磁场强度影响,火焰面温度有所升高,且随着磁场强度的增大,温度升高的幅度增大。在Z=+18mm以上时磁场对火焰面温度无太大影响。综上所述发现,火焰在Z=+18mm以下各监测点温度差幅明显,随着磁场强度的增大,火焰面温度均有所提高。在Z=+18mm以上时,随着磁场的减小,火焰受空气流动影响较大。另外液化气流量为2L/h时,各监测点温度差幅比另外两种条件更加明显。说明随着液化气流量的增大,磁场对温度的影响进一步减小。

2.4磁场强度对NOx生成特性的影响图6为在不同液化气流量下,火焰在3种磁场(分别由0V、36V和110V电压产生)中与火焰温度分布同步进行测量得出的浓度分布对比,由图可以看出:(1)液化气流量为2L/h时NOx浓度分布如图6(a)所示,3种磁场下NOx浓度分布近似。在Z=0mm处最低,NOx浓度仅为7.134mg/m3,且110V工况下与无磁场相比NOx浓度降低了23.5%,NOx浓度先升高后降低,在Z=9mm处时,NOx浓度下降了21.3%,其余差幅在10%-15%之间。110V工况下与36V工况下相比,NOx浓度差幅不大。(2)液化气流量为3L/h时NOx浓度分布如图6(b)所示,3种磁场下NOx浓度分布近似。在Z=0mm处最低,且110V工况下与无磁场时相比NOx浓度降低了15.7%。NOx浓度总体处于持续增大,在Z=+3mm处时,NOx浓度为10.344mg/m3,110V工况和无磁场NOx浓度差幅最大,达到了21.9%。其余部分NOx浓度差幅在10%-15%之间。110V工况下与36V工况下相比,NOx浓度差幅不大。(3)液化气流量为4.5L/h时NOx浓度分布如图6(c)所示。3种磁场下NOx浓度分布近似。在Z=0mm处最低,且110V工况下与无磁场时相比降低了19.6%。NOx浓度先增大后减小,在Z=+15mm处时,NOx浓度仅为9.524mg/m3,110V磁场和无磁场NOx浓度差幅最大,达到了23.9%。随后随着磁场强度的减弱,在Z=+20mm后NOx浓度趋于一致。110V工况下与36V工况下相比,NOx浓度差幅不大。在各液化气流量工况下,当到达某一高度时,就检测不到氮氧化物浓度。资料表明热力型NOx大量生成是在火焰面的下游,特别是火焰面下游局部高温、局部氧浓度大和烟气停留时间长的地方,更容易生成热力型NOx[12]。该说法是否成立将在后续的工作中进行研究。比较各实验工况下NOx浓度变化幅度可以看出,磁场对预混火焰生成的NOx浓度起到了一定的抑制作用,最大降幅达到了23.5%,普遍降幅达到10%-15%。之前探讨的磁场对扩散火焰中NOx的抑制作用,最大降幅达到了78.6%和53.12%。两者相比较可以看出磁场对预混火焰的抑制效果不如扩散火焰明显。在微观领域,层流火焰燃烧过程中,燃料热解产生了较多N、HCN、CN等含N原子的离子或者离子团。正常情况下它们会与空气中的O原子或者O2发生有效碰撞反应生成NOx,随着温度的升高,含N离子、离子团及Ox会变得活跃,发生碰撞的机会增加,生成量应该增大。但在实验结果显示NOx生成量降低。这是因为在层流燃烧过程中,产生的含N离子或离子团都带有电荷,外加磁场后,受到洛伦兹力作用,减缓了离子或者离子团随气流向上的无序运动,而是有规律的顺着洛伦兹力的受力方向运动,大大减少与O原子或O2的碰撞次数,使得NOx生成量减少。

3结论

磁场强度对层流预混火焰及NOx生成特性的影响,可通过将液化气和空气燃烧的层流火焰置于电磁场中实现。实验通过测量不同工况下火焰形状以及、火焰温度分布、NOx浓度分布数据并进行对比分析,得到如下结论:(1)与无磁场相比,层流火焰在电磁场中燃烧更加剧烈,预混火焰长度变短,直径变粗;(2)在一个梯度磁场中,磁场强度大的区间火焰面的温度比较高,且随着磁场强度的增大而升高;(3)在强磁区,含N离子或离子团受到洛伦兹力的作用,使原来无序的随着气流向上的运动变为有规律的向受力的方向运动,减缓了含N离子或离子团与O原子或者O2的碰撞几率,从而降低了反应速度,最终导致NOx浓度降低。在液化气流量为4.5、3和2L/h时,NOx浓度最大降幅分别为23.9%,21.9%和23.5%。

作者:陈伟鹏朱秉森李保卫武文斐单位:内蒙古科技大学能源与环境学院

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