微通道内预混氢/空气催化燃烧的实验研究

石星宇，潘剑锋，章锐，任慧敏

(江苏大学能源与动力工程学院，江苏 镇江 212013)

作为微机电系统的核心装置，微型燃烧器特征尺寸的减小使得其面容比增大，热损失随之增加，火焰很难在微燃烧器内稳定传播[1]。因此，研究者们提出对燃烧室表面进行惰性化处理[2]、多孔介质燃烧[3]和催化燃烧[4-5]等方式以实现火焰的稳定燃烧。

不同于传统的燃烧技术，作为稳燃方式之一的催化燃烧可以降低反应物分子的活化能，减少能源消耗，提高燃料的转化效率，并且能够有效解决微尺度下气相燃烧不稳定和燃料燃烧不充分等问题。因而，探究微尺度催化燃烧的相关规律能为设计高效能的微燃烧室提供理论依据，具有重要意义。针对催化燃烧，Wierzbicki等[6]对带有Pt和Rh催化剂的回热型燃烧器内丙烷的催化燃烧进行了实验研究，测试和分析了催化燃烧室和无催化燃烧室的熄火极限。Christopher等[7]通过在微燃烧室中添加催化剂铂的方式降低化学反应活化能，缩短反应时间，增大反应速率，从而提升装置的整体效率。Pan等[8]通过实验研究了微通道内有/无催化条件下不同甲烷流量的可燃极限，以及入口流速和通道高度等重要参数对其燃烧特性的影响。结果表明，催化剂的添加可以提高燃烧的稳定性，提升燃料的转化率并且使燃烧室外壁面温度均匀。Chen等[9]通过二维数值模拟的方法对微催化燃烧室传热传质特性进行了详细研究，也分析了催化壁面在维持燃烧稳定性方面的作用。

国内外学者的研究表明，催化燃烧是一种较为理想的燃烧方式，值得深入研究。为了丰富微尺度催化燃烧的相关理论，本文加工了304不锈钢微通道和铂催化微通道，以氢气为燃料，空气为氧化剂，改变通道入口预混合气进气流速进行实验，分析有/无催化条件下微通道内氢气-空气的燃烧特性。

1 实验装置

实验中搭建的系统装置示意图见图1，装置包括气体供给系统、流量控制系统和测试记录系统。燃料和氧化剂由高压气瓶释放后，经减压阀减压后分别经过流量控制系统进入预混合腔进行充分混合。流量控制系统主要包括流量计及其控制面板。采用的流量控制器为DSN系列，其精度高达±1%，响应时间不超过1 s。混合气在微通道中被点燃并发生燃烧反应后，通过测试记录系统收集实验数据。测试记录系统包括红外热像仪，K分度露端型铠装热电偶和其它相关辅助设备。其中红外热像仪型号为ThermoVisionTM A40，需配合电脑使用，能对稳态燃烧时微通道外壁面的温度进行测量，其温度测量范围为-40～+2 000 ℃，测量精度高达±2%，且成像质量较高，为320×240像素。K分度露端型铠装热电偶固定在微通道出口处，对排气温度进行测量。

实验使用的微通道实物图如图2所示，分别由304不锈钢和Pt制成，通道内部尺寸为20 mm×10 mm×1 mm，不锈钢微通道壁厚0.5 mm，发射率为0.85，铂微通道壁厚0.5 mm，发射率为0.9。

图1 实验中搭建的系统装置示意图

图2 微通道实物图

2 实验结果及讨论

微通道内混合气燃烧的快慢受进气流速的影响，为了研究流速对微通道内燃烧特性的影响，混合气当量比固定为1，设置微通道入口预混合气的流速分别为0.5 m/s、0.7 m/s、0.9 m/s、1.0 m/s、1.1 m/s、1.3 m/s、1.5 m/s和2.0 m/s进行实验。图3是无催化微通道外壁面中心线温度随流速的变化。由图3可知，微通道外壁面温度随流速的增加而不断升高。因为单位时间内流速的增加会导致参与反应的燃料增多，因此燃烧反应放出的热量也更多，更多热量通过通道壁面向外传递，引起通道整体温度上升。此外，微通道外壁面中心线温度最高点位于微通道入口附近，原因在于，氢气与空气反应时，其反应速率非常快，在通道入口已经基本完全反应，即使流速增加，火焰向通道下游移动也不太明显，导致高温区集中在通道入口附近。在不同流速下，通道上游温度曲线下降的斜率较大，即通道上游温度比通道下游温度下降的快。说明氢气与空气的燃烧反应大部分都发生在通道上游，而通道下游只有很小的一部分未反应完全的氢气参与反应，其放热低于通道上游的燃烧反应放热。图4为催化微通道外壁面中心线温度随流速的变化。由图4可知，催化微通道外壁面温度因流速增加而产生的变化趋势与无催化微通道基本相同，温度都在不断升高，但与无催化微通道不同的是催化微通道外壁面中心线温度最高点不在通道入口，而在距通道入口2 mm左右。这是因为，通道入口附近气相燃烧受表面反应抑制，未反应完全的氢气向通道下游继续扩散并发生表面催化反应释放热量，因此通道外壁面最高温度点向通道下游稍微移动。与无催化微通道不同，流速的变化对催化微通道下游温度曲线斜率的影响很小，通道下游温度曲线下降的斜率随流速的变化基本保持一致，且催化微通道上下游温差较无催化微通道小得多，温度曲线下降的斜率也较小。其原因在于，催化剂的存在扩大了微通道内的反应区域，使氢气可以向通道下游扩散进行催化反应，不同于无催化微通道，催化通道下游还可以使稀薄的燃烧继续进行表面催化反应放出一定的热量，使得催化微通道外壁面中心线温度曲线下降的斜率较小，且上下游温度差值比无催化微通道的小。

图3 无催化微通道外壁面中心线温度随进气流速的变化

图4 催化微通道外壁面中心线温度随进气流速的变化

图5为不同流速下的微通道外壁面红外热像图，对应的进气流速分别为0.5 m/s、0.9 m/s、1.3 m/s和2.0 m/s。图5中明亮区域表示微通道外壁面高温区，在后处理软件上调节温度显示的范围一致，可以看出随着流速的增加，红外照片变化的趋势较为明显，无催化微通道和催化微通道外壁面温度相应增加，且高温范围都逐渐扩大，高温区域逐渐向下游扩散。这是因为随着流速的增加，微通道内燃烧反应强度增强，热量向下游扩散的速度相应加快，导致高温区域扩大。催化和无催化微通道外壁面的红外热像图在流速0.5 m/s时的差别较大。该流速下无催化微通道上下游温度差值较大，红外热像图颜色分布不均匀，高温区集中在通道上游，通道下游温度较低，且红外热像图呈现较暗的颜色。而催化微通道外壁面的红外热像图却明显不同，其颜色分布较均匀，表明催化燃烧发生在整个催化壁面上，同样说明了催化剂的存在可以扩大反应区域，使微通道外壁面温度分布变均匀。此外，随着流速增加，无催化微通道的红外热像图中有明显的温度界限，而催化微通道中的温度界限却不是很明显。这是因为，无催化微通道中只发生气相反应，高温区即是火焰区域，没有其它反应的干扰，微通道中的火焰形状呈现到外壁面的红外热像图就是明显的高温区。催化微通道中的反应比较复杂，除了气相反应外，催化剂表面还存在催化反应，在表面反应与气相反应的共同作用下，导致微通道外壁面的红外热像图中高温区与非高温区的界限不是很明显，用红外热像仪对微通道壁面温度分布进行拍摄的同时，将热电偶安装在通道出口中心处对微通道出口排气温度进行测量。由于热电偶的探针较小，且置于通道出口，不会对微通道内的气体产生扰动。测量得到不同流速下催化和无催化微通道出口排气温度分布，微通道出口排气温度随流速的变化如图6所示。由图6可知，在两种类型的微通道内，随着入口混合气流速的增加，微通道出口排气温度都呈线性逐渐增加，且增加的斜率较为一致。因为随着流速的增加，热量向下游扩散速度加快，导致通道出口排气温度也随之上升。在不同流速下，催化微通道出口排气温度明显高于无催化微通道。这是因为，无催化微通道的高温区集中在通道入口处，热量向下游传播的距离较远，热量传播过程中由于周围环境的自然对流及辐射换热作用，导致热量损失较大，传播到通道出口处排气温度明显下降。而在催化微通道内，高温区向通道下游稍微偏移，热量向通道出口处传播的距离小于无催化微通道，此外由于催化剂的存在，也扩大了反应区域，通道下游部分催化反应存在放出的热量可以补偿微通道的一部分散热损失，导致催化微通道出口排气温度明显高于无催化微通道。

图5 不同流速下的微通道外壁面红外热像图

图6 微通道出口排气温度随流速的变化

3 结语

对无催化的304不锈钢微通道和Pt催化微通道内氢气-空气的燃烧特性进行了实验研究，通过红外热像仪和热电偶获得了一些关键实验数据，通过分析数据得出的主要结论有：

1) 无催化微通道外壁面温度随流速的增加而逐渐升高，最高温度点在通道入口附近，随着距通道入口距离的变化，外壁面温度逐渐下降。不同流速下，通道上游温度曲线下降的斜率较大，燃烧反应主要发生在通道上游。而催化微通道外壁面最高温度点在距通道入口2 mm左右，催化剂扩大了通道内的反应区域。不同流速下催化微通道外壁面中心线温度曲线下降的斜率较一致，且催化微通道上下游温差较无催化微通道小得多，温度曲线下降的斜率较小。

2)有/无催化微通道出口排气温度都随流速的增加而逐渐升高，同时催化微通道出口排气温度高于无催化微通道。