磁場強度對預混火焰的影響范文

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《熱能動力工程雜志》2014年第三期

1實驗方法

實驗工況設置如表1所示。實驗中液化氣流量分別為2、3和4．5L/h、每種流量均在0、36和110V3種電壓下產生的磁場中進行實驗，主要研究內容包括火焰形狀、溫度分布、NOx濃度分布。實驗開始前調整預混前空氣及液化氣流量，達到淡藍色火焰后用直徑5cm的玻璃試管罩住一段時間，若火焰不熄滅則符合實驗條件，實驗中燃氣流量大于4．5L/h后，火焰不能保持穩定，以4．5L/h為上限向下取3個流量進行層流預混燃燒實驗。為確保實驗的精確度，實驗均在黑屋內進行。在實驗過程中，燃燒前測量磁場分布，燃燒過程中同時測量火焰特性(溫度、外形)及NOx濃度。圖2為坐標示意圖，實驗測試得到磁場強度、火焰溫度、NOX濃度均與圖中縱坐標相一致。以燒嘴中心為軸向上每隔5mm布置一個磁場測量點;每隔3mm布置一個溫度測量點，與此同時用攝像頭拍攝下火焰的照片觀察火焰結構和形狀的變化;每隔3mm布置一個NOx濃度測量點，其中磁場測量點的橫坐標為0mm，溫度和NOx濃度測量點緊貼火焰面外緣，且在不影響火焰燃燒狀態下進行。采集實驗數據采用多次測量取其平均值的原則，為減小誤差剔除個別與其它數據明顯不符的錯誤數據。為了保證各工況實驗條件一致，在進行完一組實驗以后，待各實驗設備完全降至室溫后再開始下一組實驗。

2實驗結果與分析

2．1磁場分布磁場源由兩個電磁線圈構成，鐵芯相距40mm，通過改變線圈電壓來改變磁場強度，磁場分布如圖3所示。從圖中可以看出磁場最大值在距離燒嘴16mm處，磁場先增大后減小，由于火焰比較短，所以實驗過程一直處于強磁區中，不同電壓下的磁場強度相差比較大。

2．2磁場強度對火焰形狀的影響圖4是在不同液化氣流量下，火焰在3種磁場(0V、36V、110V)中的形狀對比。跟據火焰軟件分析及火焰圖片得出如表2中所列結果。總結得到，在3種液化氣流量下，隨著磁場強度的增加，火焰長度有所下降，火焰最大直徑有所增加。出現此現象的原因是氣體燃料燃燒反應屬連鎖反應中的支鏈反應，由于火焰燃燒的不完全性產生了活化中心，活化中心(各種帶電離子或離子團)在火焰傳播過程中起到很重要的作用。火焰燃燒在無磁場工況中，活化中心隨著氣流向上運動;而在有磁場工況中，活化中心受到磁場中洛倫茲力的作用改變了原來的運動軌跡，向兩側運動，降低了向上的運動速度，且加劇了噴嘴出口處火焰的燃燒，所以外加磁場后火焰直徑有所增加，火焰的高度略微降低。

2．3磁場強度對火焰溫度的影響測溫點在火焰面外緣緊貼火焰面，測量數據只反應了火焰溫度的相對變化，并不代表火焰溫度的絕對值。圖5為在不同液化氣流量下，火焰在3種磁場(0V、36V和110V)中的溫度分布對比。用origin軟件分析實驗數據得到結論:(1)液化氣流量為2L/h時火焰溫度分布如圖5(a)所示。可以看出在Z=16mm以下范圍，火焰面溫度呈線性增長均低于680℃，且各監測點的度增長幅度比較明顯，在Z=+6mm處火焰面溫度差幅達到了峰值，110V工況下的火焰面溫度比無磁場工況提高了52℃。說明受磁場強度的影響，火焰面溫度有所升高，且隨著磁場強度的增大，溫度升高的幅度增大，在Z=+18mm以上時磁場對火焰面溫度無太大影響。(2)液化氣流量為3L/h時火焰面溫度分布如圖5(b)所示。可以看出在Z=+16mm以下范圍，火焰面溫度呈線性增長，且各監測點有一定的溫度增長幅度。在Z=+6mm處火焰面溫度差幅達到了峰值，110V工況下的火焰面溫度比無磁場工況提高了47℃。說明受磁場強度影響，火焰面溫度有所升高，且隨著磁場強度的增大，溫度升高的幅度也在增大。在Z=+18mm以上時磁場對火焰面溫度無太大影響。(3)液化氣流量為4．5L/h時的火焰面溫度分布如圖5(c)所示。可以看出在Z=+16mm以下范圍，火焰面溫度呈線性增長，且各監測點有一定的溫度增長幅度。在Z=+12mm處火焰面溫度差幅達到了峰值，110V工況下的火焰面溫度比無磁場工況提高了47℃。說明受磁場強度影響，火焰面溫度有所升高，且隨著磁場強度的增大，溫度升高的幅度增大。在Z=+18mm以上時磁場對火焰面溫度無太大影響。綜上所述發現，火焰在Z=+18mm以下各監測點溫度差幅明顯，隨著磁場強度的增大，火焰面溫度均有所提高。在Z=+18mm以上時，隨著磁場的減小，火焰受空氣流動影響較大。另外液化氣流量為2L/h時，各監測點溫度差幅比另外兩種條件更加明顯。說明隨著液化氣流量的增大，磁場對溫度的影響進一步減小。

2．4磁場強度對NOx生成特性的影響圖6為在不同液化氣流量下，火焰在3種磁場(分別由0V、36V和110V電壓產生)中與火焰溫度分布同步進行測量得出的濃度分布對比，由圖可以看出:(1)液化氣流量為2L/h時NOx濃度分布如圖6(a)所示，3種磁場下NOx濃度分布近似。在Z=0mm處最低，NOx濃度僅為7．134mg/m3，且110V工況下與無磁場相比NOx濃度降低了23．5%，NOx濃度先升高后降低，在Z=9mm處時，NOx濃度下降了21．3%，其余差幅在10%－15%之間。110V工況下與36V工況下相比，NOx濃度差幅不大。(2)液化氣流量為3L/h時NOx濃度分布如圖6(b)所示，3種磁場下NOx濃度分布近似。在Z=0mm處最低，且110V工況下與無磁場時相比NOx濃度降低了15．7%。NOx濃度總體處于持續增大，在Z=+3mm處時，NOx濃度為10．344mg/m3，110V工況和無磁場NOx濃度差幅最大，達到了21．9%。其余部分NOx濃度差幅在10%－15%之間。110V工況下與36V工況下相比，NOx濃度差幅不大。(3)液化氣流量為4．5L/h時NOx濃度分布如圖6(c)所示。3種磁場下NOx濃度分布近似。在Z=0mm處最低，且110V工況下與無磁場時相比降低了19．6%。NOx濃度先增大后減小，在Z=+15mm處時，NOx濃度僅為9．524mg/m3，110V磁場和無磁場NOx濃度差幅最大，達到了23．9%。隨后隨著磁場強度的減弱，在Z=+20mm后NOx濃度趨于一致。110V工況下與36V工況下相比，NOx濃度差幅不大。在各液化氣流量工況下，當到達某一高度時，就檢測不到氮氧化物濃度。資料表明熱力型NOx大量生成是在火焰面的下游，特別是火焰面下游局部高溫、局部氧濃度大和煙氣停留時間長的地方，更容易生成熱力型NOx［12］。該說法是否成立將在后續的工作中進行研究。比較各實驗工況下NOx濃度變化幅度可以看出，磁場對預混火焰生成的NOx濃度起到了一定的抑制作用，最大降幅達到了23．5%，普遍降幅達到10%－15%。之前探討的磁場對擴散火焰中NOx的抑制作用，最大降幅達到了78．6%和53．12%。兩者相比較可以看出磁場對預混火焰的抑制效果不如擴散火焰明顯。在微觀領域，層流火焰燃燒過程中，燃料熱解產生了較多N、HCN、CN等含N原子的離子或者離子團。正常情況下它們會與空氣中的O原子或者O2發生有效碰撞反應生成NOx，隨著溫度的升高，含N離子、離子團及Ox會變得活躍，發生碰撞的機會增加，生成量應該增大。但在實驗結果顯示NOx生成量降低。這是因為在層流燃燒過程中，產生的含N離子或離子團都帶有電荷，外加磁場后，受到洛倫茲力作用，減緩了離子或者離子團隨氣流向上的無序運動，而是有規律的順著洛倫茲力的受力方向運動，大大減少與O原子或O2的碰撞次數，使得NOx生成量減少。

3結論

磁場強度對層流預混火焰及NOx生成特性的影響，可通過將液化氣和空氣燃燒的層流火焰置于電磁場中實現。實驗通過測量不同工況下火焰形狀以及、火焰溫度分布、NOx濃度分布數據并進行對比分析，得到如下結論:(1)與無磁場相比，層流火焰在電磁場中燃燒更加劇烈，預混火焰長度變短，直徑變粗;(2)在一個梯度磁場中，磁場強度大的區間火焰面的溫度比較高，且隨著磁場強度的增大而升高;(3)在強磁區，含N離子或離子團受到洛倫茲力的作用，使原來無序的隨著氣流向上的運動變為有規律的向受力的方向運動，減緩了含N離子或離子團與O原子或者O2的碰撞幾率，從而降低了反應速度，最終導致NOx濃度降低。在液化氣流量為4．5、3和2L/h時，NOx濃度最大降幅分別為23．9%，21．9%和23．5%。

作者：陳偉鵬朱秉森李保衛武文斐單位：內蒙古科技大學能源與環境學院