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小分子碳氢燃料微尺度催化燃烧

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广东广州

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作者钟北京

出版社中国科技出版传媒股份有限公司

ISBN9787030657589

出版时间2019-04

装帧平装

开本其他

定价138元

货号9890506

上书时间2024-08-29

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目录

前言

第1章微动力系统及其微燃烧的强化 1

1.1 基于燃烧的微动力系统 1

1.1.1 背景与意义 1

1.1.2 微动力系统的发展 2

1.2 微动力系统与微燃烧的挑战 22

1.3 热循环强化微尺度燃烧 24

1.4 催化反应强化微尺度燃烧 28

1.4.1 催化反应对着火和燃烧性能的影响 28

1.4.2 表面催化反应与气相反应的相互影响 31

1.5 加氢强化微尺度燃烧 34

1.5.1 氢气对催化着火和燃烧的影响 34

1.5.2 氢气对催化燃烧的热作用与化学作用 36

1.6 本章小结 37

参考文献 37

第2章微小尺度燃烧实验系统 44

2.1 引言 44

2.2 实验系统组成及功能 44

2.2.1 燃料和氧化剂供应系统 45

2.2.2 测量与数据处理系统 46

2.2.3 计算机界面设计 49

2.2.4 点火系统 51

2.2.5 加热与保温系统 52

2.2.6 微燃烧(反应)器 53

2.3 微尺度燃烧实验台架 55

2.4 实验系统的误差分析 56

2.5 本章小结 57

参考文献 57

第3章 C0~C4催化反应机理 59

3.1 引言 59

3.2 机理构建的总体思路 60

3.2.1 表面催化反应的主要过程 60

3.2.2 机理构建的方法 61

3.3 H2和CH4机理 62

3.4 C2子机理 63

3.5 C3~C4催化反应机理 66

3.5.1 C3~C4子机理的构建 67

3.5.2 反应动力学参数 73

3.5.3 反应机理的优化 75

3.6 反应机理的进一步验证 77

3.6.1 氢气的催化着火 77

3.6.2 乙烷与丙烷的催化着火 78

3.6.3 丙烷的氢气辅助催化着火 79

3.6.4 正丁烷催化着火 80

3.6.5 正丁烷的氢气辅助催化着火 80

3.6.6 正丁烷催化燃烧 82

3.7 本章小结 82

参考文献 83

第4章正丁烷催化着火特性 86

4.1 引言 86

4.2 催化着火的实验研究 87

4.2.1 实验过程 87

4.2.2 流速(Re)对催化着火温度的影响 88

4.2.3 当量比对催化着火温度的影响 90

4.3 催化着火的数值模拟 93

4.3.1 反应器物理模型 93

4.3.2 数学模型 94

4.3.3 表面催化反应动力学模型 95

4.3.4 计算结果合理性验证 96

4.4 催化着火过程的动力学分析 97

4.4.1 化学计量比混合物的着火过程 97

4.4.2 当量比对催化着火的影响 100

4.4.3 混合物初始温度对催化着火的影响 101

4.5 本章小结 102

参考文献 103

第5章氢气辅助催化着火特性 105

5.1 引言 105

5.2 实验方法与过程 105

5.3 氢气/空气混合物的催化着火 107

5.4 热着火与氢气辅助催化着火 108

5.5 甲烷和二甲醚的氢气辅助催化着火特性 110

5.5.1 流速(Re)对*小氢气量的影响 110

5.5.2 当量比对*小氢气量的影响 112

5.6 正丁烷的氢气辅助催化着火特性 113

5.6.1 贫燃料正丁烷/空气混合物的氢气辅助催化着火 113

5.6.2 不同氢气量下正丁烷/空气混合物的催化着火特性 115

5.6.3 雷诺数对氢气辅助催化着火特性的影响 118

5.6.4 当量比对氢气辅助催化着火特性的影响 120

5.6.5 催化剂长度对氢气辅助催化着火特性的影响 121

5.6.6 催化剂负载密度对氢气辅助催化着火特性的影响 123

5.6.7 氢气供给方式对辅助催化着火的影响 125

5.6.8 燃烧器外壁散热的影响 126

5.7 氢气辅助催化着火过程的数值模拟 127

5.7.1 计算模型 127

5.7.2 计算结果与分析 128

5.8 本章小结 133

参考文献 134

第6章氢气辅助催化着火的热作用与化学作用 136

6.1 引言 136

6.2 氢气在正丁烷/空气混合物催化着火中的热作用和化学作用 136

6.3 化学作用的临界氢气量 138

6.4 正丁烷氢气辅助催化着火动力学分析 140

6.4.1 正丁烷起燃温度和临界氢气量 141

6.4.2 氢气在催化着火中的热作用与化学作用机制 142

6.5 氢气对催化着火过程影响的非稳态数值模拟 150

6.6 本章小结 158

参考文献 158

第7章微尺度催化燃烧中气相反应和表面催化反应的相互作用 159

7.1 引言 159

7.2 正丁烷气相反应机理 161

7.2.1 正丁烷气相反应机理的构建 161

7.2.2 正丁烷气相反应机理的验证 166

7.3 实验研究与数值模拟 171

7.3.1 实验系统与实验方法 171

7.3.2 计算模型和反应机理 172

7.4 三种典型工况的实验结果 173

7.4.1 富燃料工况 173

7.4.2 化学计量比工况 176

7.4.3 贫燃料工况 180

7.4.4 不同工况的简要讨论 183

7.5 气相反应和表面催化反应作用机制 184

7.5.1 催化反应控制区 184

7.5.2 气相反应控制区 186

7.5.3 联合控制区动力学分析 188

7.5.4 表面催化反应对气相反应的影响 191

7.6 本章小结 193

参考文献 194

第8章正丁烷在Swiss-roll燃烧器内的催化燃烧特性 197

8.1 引言 197

8.2 微小型Swiss-roll催化燃烧器的初步设计与改进 198

8.2.1 微小型Swiss-roll催化燃烧器的初步设计 198

8.2.2 微小型Swiss-roll催化燃烧器的改进设计 201

8.3 正丁烷在改进的Swiss-roll燃烧器内的燃烧特性 203

8.3.1 氢气辅助催化着火 204

8.3.2 燃料在改进的Swiss-roll燃烧器内的熄火极限 204

8.3.3 改进的Swiss-roll燃烧器壁面温度分布 207

8.4 催化剂对Swiss-roll催化燃烧器性能的影响 211

8.5 氢气对Swiss-roll催化燃烧器性能的影响 216

8.6 本章小结 221

参考文献 222

附录 224

附录A 正丁烷在Pt上的表面催化反应机理 224

附录B 正丁烷气相反应机理 228

内容摘要
第1章微动力系统及其微燃烧的强化
1．1基于燃烧的微动力系统
1．1．1背景与意义
随着微机械的发展及其微加工技术的进步，20世纪80年代微机电系统(MEMS)的概念被提出。在随后的几十年内，突飞猛进的微纳制造技术大大促进了微机电系统朝着体积小型化和功能多样化方向发展。这些微机电产品的应用涉及人类活动的众多领域，如通信、航空航天、传感、影像、化学分析、生物医疗，以及武器装备等。这些微型装置都有一个共同的需求，即需要一种能够为它们提供从几毫瓦到几百瓦功率的能量密度高、寿命长、能够快速补充能量的动力供应系统1-3。但是，目前大多数消费类移动电子设备(如手机、照相机、笔记本电脑等)基本上完全依赖于电池供电系统。目前，基于电池的能源供给系统存在以下问题：①能量密度低，即使是目前最先进的锂离子电池也只能为笔记本电脑或照相机提供几个小时的电能【4，5】，对于需要大功率输入的设备(如无人机及其他微型飞行器等)，电池所能提供动力的时间更短[6】；②充电时间长，无法实现快速充电；③在某些特殊的工作环境(如野外作业)甚至没有可供充电的电源；④电池的生产和废旧电池的处理还会带来各种环境污染问题等。因此，现有的电池能源系统已经难以满足微型能源动力系统对于轻便性和持久性的双重要求，并成为限制便携式、小型化设备进一步发展的一个有待突破的瓶颈。此外，这些新型的动力系统不仅成为未来能源利用和确保国防优势的高新技术，而且对国民经济的可持续发展及国家安全具有重要的战略意义，因此开发高功率、高能量密度的微型能源动力系统具有重要的意义，而且越来越急迫。
微动力系统在国防和经济建设中具有广泛的应用前景。例如，微动力机电系统可以用于移动机器人、全球定位系统、便携式笔记本电脑、分散传感器等【’】；微型推进器可用于微小卫星的姿控、轨道保持和深空推进，以及导弹轨道控制等【0】；微型发动机可以为微型汽车、微型飞机、微小飞行器、微型泵等微型机械提供动力，为野外监测等仪器设备供电，以及为科学仪器特别是遥感红外热像仪制冷等[9 10]，微型发电机还有可能成为蓄电池的替代品，为绿色能源研究开辟一条新的道路【’¨。由于微动力系统具有如此广阔的应用前景，国内外相继开展了研究工作，并一度成为工业发达国家重点投资和优先开展的研究与开发热点之一。从20世纪90年代中期开始，美国麻省理工学院(Massachusetts Institute of‘Technology，MIT)、加利福尼亚大学伯克利分校（university ofCalifomia at Berkeley，IJCB)、普林斯顿大学(Princeton LIniversity，PU)、南加利福尼亚大学(university of Southern California，IJsc)等分别在美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)、国防部(Department ofDefense，DOD)、能源部(Department 0f Energy，DOE)及国防高级研究计划局(DefenseAdvanced Research．ProjectsAgency，DARPA)的支持下进行了微机电系统、微型火箭和微型透平的研究；日本也把微动力系统的研究列入新能源产业技术综合开发机构(The New Energy and Industrial。TechnologyDevelopment Organization，NEDO)和微机械中心(Micromachine Center，。MMC)的发展计划；德国、法国和英国等国家也相继启动了微动力系统的研究工作，并投入了巨额的资金12。我国从21世纪初开始在科技部、国家自然科学基金委员会等部委的资助下，也对微动力系统开展了大量的研究与开发工作13。1．1．2微动力系统的发展
随着尺度越来越小、功能越来越强大的微机电系统的快速发展，人们越来越渴望发展一种尺度更小、能量密度更大、持续工作时间更长、携带更方便的强劲动力系统。在这样的背景下，微动力系统的概念被提了出来，并逐渐进入人们的视野。在1997年国际固态传感器与传动器大会上Epstein等首次提出了微动力系统的概念14。当时，微动力系统是指产生动力或提供热量的微尺度系统，即基于燃烧的微动力系统。后来这个概念被大家广泛地采用。被研究者广泛关注并致力于研发的基于燃烧的微动力系统主要包括微型涡轮机、微型转子发动机和微型火箭发动机等，它们的共同特征是利用氢气和碳氢燃料或者其他推进剂在微燃烧器中燃烧，产生的高温高压燃气或驱动发电装置输出电能，或驱动动力装置输出动力，或直接输出热能，从而把燃料的化学能直接或间接转化为其他形式的能量。
由于作为微动力系统燃料的碳氢燃料具有很高的能量密度，达到40～50MJ／kg，而目前普遍使用的锂离子电池的能量密度只有0．4～0．5 MJ／kg(性能最好的也只有1．2MJ／kg)，两者相差2～3个数量级。因此，即使通过燃烧的能量转换率(如化学能转化为电能)只有5％，其质量能量密度仍然优于锂离子电池L416J。图1．1给出了几种碳氢燃料的能量密度与电池的对比。与同等能量的电池相比，液态燃料具有容易运输、存储和处理的特性，比电池充电要简单、快捷。微动力系统相对传统电池具有体积小、能量密度高、工作时间长等优点。因此，基于微尺度燃烧的微动力系统越来越多地受到人们的关注。
基于燃料燃烧的微动力系统大致可以分为两大类L4,15]：热能转化为机械能的微型发动机(存在运动件)，热能转化为电能的微型发电机(无运动件)……

精彩内容
《小分子碳氢燃料微尺度催化燃烧》围绕基于燃烧的微动力装置研究了小分子碳氢燃料(氢气、甲烷、二甲醚和正丁烷)在Pt催化剂表面上的催化着火与燃烧特性，尤其是对正丁烷及其氢气辅助催化着火与燃烧过程进行了系统的实验研究、化学反应

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