乙醇在微尺度單電極燃燒器內的霧化與燃燒

甘云華，佟洋，羅智斌

（華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510640；廣東省能源高效清潔利用重點實驗室，廣東 廣州510640）

乙醇在微尺度單電極燃燒器內的霧化與燃燒

甘云華，佟洋，羅智斌

（華南理工大學電力學院，廣東 廣州 510640；廣東省能源高效清潔利用重點實驗室，廣東 廣州510640）

采用荷電噴霧燃燒技術是促進微尺度下液體燃料穩定燃燒的重要方法。使用乙醇為燃料，在新型結構的噴嘴內徑為0.8 mm微尺度單電極燃燒器內，進行了荷電霧化與燃燒特性的實驗研究。結果表明：荷電霧化會隨噴嘴電壓升高而出現 4種模式，對應的荷質比在脈動模式下最低，到達錐-射流模式后出現躍升，在錐-射流模式下最為穩定。荷電霧化后的乙醇在燃燒器網格處穩定燃燒，火焰溫度隨著當量比增大先上升后下降。火焰溫度在當量比=1.0時達到最高值，且隨電壓增大而上升。錐-射流模式下，當量比=1.0時，燃燒效率可達 89%，燃料轉換效率可達90%。穩定的霧化模式以及合適的當量比，對燃燒效果具有較大的改善作用。

微尺度；醇；燃料；荷電霧化；燃燒效率；轉換效率

引　言

20世紀70年代，微傳感器的問世促進了微型機電系統（micro-electro-mechanical system，MEMS）的發展[1]，微尺度燃燒器作為MEMS的動力裝置，有著體積小、能量密度高等特點，是MEMS不可缺少的核心裝置之一。

與傳統燃燒器相比，微型燃燒器在尺寸大大縮小的同時，也產生了燃料停留時間短、表面積體積比大、熱損失大等新的問題[2-3]，國內外許多學者對其進行了研究。Yuliati等[4]設計了液體燃料荷電噴霧燃燒器，研究其噴霧效果并得到了穩定火焰。Kyritsis等[5]設計了多路復式噴霧催化燃燒器，通過對燃燒產物的分析對燃燒器性能進行評價。Mikami 等[6]對雙格柵微型燃燒器進行研究，觀察了火焰形態并分析了燃料流率對火焰穩定性的影響。張力等[7]對微型燃燒器內甲烷/空氣預混催化燃燒情況進行研究，并分析了催化轉化效率的影響因素。燃燒效率作為評價燃燒器性能的重要依據，有著很大的研究價值，但現階段有關液體燃料在微尺度燃燒器中的燃燒效率的研究尚少。Peck等[8]設計制造了液體燃料微型透平，從燃燒效率、熱效率及化學效率等方面對燃燒器性能進行分析。萬建龍等[9]對微型管道內燃燒特性和熱損失進行了研究，分析了燃燒器效率的主要影響因素。

目前，氣體燃料微燃燒研究較多[10-18]，與氣體燃料相比，液體燃料有著能量密度高、易于運輸和儲藏等優點[19]，若采用荷電噴霧的方法則會使液體燃料的燃燒穩定性得到進一步提升[20]。本文以乙醇在微尺度單電極荷電噴霧燃燒器內的燃燒性質作為研究對象，實驗分析了電極電壓、當量比及燃燒器結構對燃燒效率的影響。

1　實驗系統

實驗系統如圖1所示。燃料由注射泵（KDS100）經絕緣軟管輸入燃燒器，注射泵誤差小于 1%；空氣通過氣瓶經氣體流量控制器（Brooks 5850E）輸入燃燒器，流量控制器誤差小于 1%；噴嘴電極電壓由高壓電源提供；乙醇在燃燒器內形成噴霧，與空氣混合后在網格外側進行燃燒；火焰溫度由直徑為0.3 mm的S型熱電偶測量，經數據采集儀（安捷倫34970A）將數據導入計算機。經輻射散熱修正后，火焰溫度測量誤差范圍為±1.0%。燃燒尾氣通過氣體取樣針采集后，使用GC1690氣相色譜儀進行分析；火焰及噴霧圖片由Canon EOS 5D Mark Ⅲ相機進行拍攝。

圖2為燃燒器結構。其外殼采用內徑12 mm，外徑16 mm的玻璃管制成，總長度L=80 mm，網格與出口間距 L2=20 mm，噴嘴出口與網格間距L1=23 mm。噴嘴及網格均采用不銹鋼制成，噴嘴內徑為0.8 mm，外徑為1.2 mm，總長100 mm，網格直徑12 mm，厚0.4 mm。

噴嘴接通高壓電源正極，網格接地極，燃料經過接觸式充電，在帶電液體的庫侖力以及表面張力的作用下，破碎成小液滴，并在電場力的牽引作用下，于噴嘴和網格之間形成噴霧，由網格收集后，采用外熱源加熱點火方式進行燃燒。

圖1　實驗系統Fig.1 Experimental system

圖2　微型燃燒器結構Fig.2　Sketch of micro-combustor

2　燃燒效率計算

乙醇在燃燒器內的燃燒狀況可以通過燃燒效率以及轉換效率體現。

從燃料角度進行效率計算，可通過熱分析來對燃料的利用率進行評價。對于微型燃燒器，燃燒效率可表征為已燃組分釋放的熱量與輸入燃料理論上最大釋放熱量之比[21]，其定義為

式中，mf為進入燃燒器的液體燃料質量；hf為入口處燃料的低位熱值；分子中求和項為尾氣中未完全燃燒燃料的總焓值，通過氣相色譜儀分析尾氣成分后，計算未完全燃燒燃料剩余總熱量得出。

當只有一種燃料時，燃料的轉換效率可作為燃燒器性能的評價標準[21]，其定義為

式中，mfuel,in為燃料進口質量；mfuel,out為出口處測得的燃料剩余質量。

實驗中尾氣成分含有CO、CO2、N2、水蒸氣以及乙醇，由于水蒸氣及乙醇在室溫條件下會液化，無法通過氣相色譜儀進行測量，因此利用C、N元素的質量守恒，通過測定 CO、CO2、N2的量計算出剩余乙醇的質量，然后進行燃燒效率及轉換效率的計算。

3　實驗結果與分析

實驗分析包括霧化特性分析以及燃燒特性分析兩方面。優良的噴霧質量，可以增大液體燃料和空氣的接觸面積，是影響燃燒效率、排放性能的重要因素之一。

3.1霧化特性分析

荷電霧化燃燒中，液體燃料霧化效果的優劣會直接影響到燃燒尾氣的成分，從而對燃燒效率產生影響。由圖3可以看出，對于單電極燃燒器，在一定的乙醇流量（qv=3 ml·h-1）下，隨著噴嘴電壓（V）的升高，其霧化模式會產生脈動模式[圖3（a）]、錐-射流模式[圖3（b）]、偏移射流模式[圖3（c）]以及多股射流模式[圖3（d）]4種模式。其中，脈動模式下的霧化無法產生均勻液滴，同時會伴隨周期性的跳躍現象；錐-射流模式可以產生均勻噴霧，且噴霧狀態十分穩定；偏移射流及多股射流模式下，噴霧仍較為穩定，由圖3（c）、（d）可見，到達錐-射流模式后，若噴嘴電壓V繼續升高，則噴霧會發生傾斜，到達偏移射流模式，繼而發生單股-多股的周期性抖動，最后徹底分裂形成多股射流模式，此時霧化角與射流股數較其他霧化模式已有較大變化，故霧化效果有較大差異。

圖3　荷電霧化模式Fig.3 Four electro-spraying modes (qv=3 ml·h-1, V=4.7—6.5 kV)

噴霧的電荷量反映了霧化區的線電荷密度、面電荷密度和體電荷密度等物理量，荷質比更是衡量霧化效果的重要參數之一。實驗采用網狀目標法對荷質比進行測量[22]，若單位時間內進入收集器的荷電液滴質量為m，放電電壓為U，忽略揮發量，則測量時間內的比荷Aq為

式中，I為檢測電流；R為檢流電阻阻值；ρ為流體密度；t為檢測時間；qv為體積流量。

在相同流量下，單位體積的液體攜帶的電荷越多，液滴之間相互排斥的庫侖力越大，會導致液滴破碎更為徹底，霧化效果越好[22]。圖4為乙醇在3 ml·h-1流量下荷質比隨噴嘴電勢 V變化情況。將測量得到的荷質比與實時噴霧情況相對應，可得相應分區。由圖可以看出，在起始階段，荷質比較低，此時觀測到的霧化為脈動模式，隨著電壓的升高，荷質比會出現躍升，而后維持相對穩定，此時對應的霧化模式為錐-射流模式。隨后荷質比會隨著電壓的升高而持續升高，此時噴霧逐漸呈現偏移射流模式以及多股射流模式，并且有隨電壓繼續升高的趨勢。

圖4　荷質比與噴嘴電勢關系Fig.4　Specific charges varying with nozzle potentials

可見，隨著噴嘴電壓的升高，荷質比大體呈現升高趨勢，霧化效果會更好。與霧化模式比對后可知，在脈動區的霧化效果相對較差，到達錐-射流模式后會有階躍式提升。因此，為了保證良好的霧化效果，應將霧化模式控制在錐-射流模式之后的階段；若要保持霧化的相對穩定，應將霧化模式保持在錐-射流模式階段。

3.2燃燒效率分析

圖5為當量比Ф=0.9、電壓V=5.1 kV時火焰形態，由圖可見乙醇在網格出口側進行穩定燃燒，火焰呈淡藍色。

圖5　火焰圖片Fig.5　Flame image

在式（1）中，需要通過燃燒尾氣的焓值來確定燃燒效率，因此，圖6給出了火焰溫度隨當量比以及噴嘴電壓V的變化曲線。

由圖可見，在當量比Ф＜1時，火焰溫度隨當量比增加呈現上升趨勢，這是由于隨著當量比增大，供給空氣量減少，加熱空氣以及隨尾氣排出的熱量降低，使溫度升高。當量比Ф＞1后，火焰溫度呈下降趨勢，造成這種現象的原因為此時供給的空氣量低于乙醇完全燃燒所需理論空氣量，乙醇燃燒放熱量降低，造成溫度降低。

圖7為燃燒效率變化曲線。實驗結果表明，在當量比Ф＜1時，燃燒效率變化平穩，維持在相對較高的水平，在當量比Ф＞1后，燃燒效率隨當量比增大呈下降趨勢。噴嘴電壓分別在4.7、5.5、6.5 kV時，燃燒效率會出現升高的趨勢，同時不同電壓下燃燒效率隨當量比變化趨勢相近。

圖6　火焰溫度隨當量比及電壓變化曲線Fig.6　Flame temperatures varying with equivalent ratios and nozzle potentials

圖7　燃燒效率隨當量比變化曲線Fig.7　Combustion efficiency varying with equivalent ratios

造成以上現象的原因主要有以下幾點。在當量比Ф＜1時，雖然火焰溫度呈上升趨勢，但此時為富氧燃燒，燃燒產物中CO2所占比例隨當量比增加而上升，CO所占比例隨當量比增加而下降，使得式（1）中尾氣總體焓值保持相對穩定，因此燃燒效率保持相對穩定。當量比Ф＞1時，空氣量減少，為富燃料燃燒，此時火焰溫度下降，同時燃燒尾氣中CO及乙醇含量升高，導致尾氣總焓值急劇上升，燃燒效率出現下降。

噴嘴電壓V增大時，燃燒效率上升，對比圖3可知，當V=4.7 kV時，噴霧處于脈動區，V=5.5 kV時，噴霧處于錐-射流區，V=6.5 kV時，噴霧處于多股射流區。由前文分析可知，不同的霧化模式會有不同的霧化效果，在脈動模式下，噴霧效果較差，導致燃燒不夠穩定，因此燃燒效率較低。電壓增大后，在V=5.5 kV時已經進入錐-射流模式，此時霧化效果有明顯改善，乙醇燃燒時其液滴表面與空氣接觸更加充分，使得燃燒效率上升。電壓增大至6.5 kV時，噴霧處于多股射流區，單股錐-射流變為多股均勻射流，霧化效果下降，燃燒器內壁出現“濕壁”現象，但由于此時燃燒器壁面溫度遠高于乙醇沸點，并且乙醇有較好的揮發性，導致燃燒產物中未完全燃燒成分變化不大，燃燒火焰溫度持續升高，從而使燃燒效率持續提升。

3.3轉換效率分析

燃料轉換效率可從燃料消耗角度對燃燒效果進行評價[21]。圖8為乙醇轉換效率隨當量比變化情況，轉換效率隨著當量比的增加，呈現先穩定后下降的趨勢，其變化規律與燃燒效率變化規律相似。對比圖7、圖8可見，當量比Ф＜1時，轉換效率變化趨勢更為穩定，這是由于在該階段燃燒時，尾氣中CO含量隨空氣量增大變化明顯，但未燃的乙醇含量并未有明顯變化，造成轉換效率波動較小。同時，整體上轉換效率數值較燃燒效率數值高。由式（1）與式（2）對比可知，燃燒效率在計算時，分子項包含未燃盡乙醇和未完全燃燒產物的熱量，而轉換效率公式中僅考慮出口處未燃乙醇量，因此轉換效率曲線略高。

圖8　轉換效率隨當量比變化曲線Fig.8　Conversion efficiency varying with equivalent ratios

4　結　論

本文設計了新型結構的單電極荷電噴霧燃燒器，實驗研究了不同電壓下的霧化模式變化情況，探討了乙醇燃燒效率、轉換效率隨當量比Ф、噴嘴電壓V的變化情況，主要結論如下。

（1）相同乙醇流量下，隨著噴嘴電壓的升高會出現多種霧化模式，為保持良好的霧化效果，應避免脈動模式，在幾種模式中錐-射流模式最為穩定。

（2）燃燒器中乙醇燃燒效率在當量比Ф=1時最高，當量比Ф＞1后出現明顯下降。噴嘴電壓升高會使霧化效果改善，燃燒效率提升。

（3）乙醇轉換效率在當量比 Ф＜1時保持平穩，在當量比Ф＞1時出現下降，同時隨電壓升高轉換效率提升，相同工況下轉換效率較燃燒效率略高。

（4）乙醇噴霧燃燒應避免在脈動模式下進行，通過改善霧化效果會使燃燒效率、轉換效率得到提升，穩定性增強。

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Electro-spraying and combustion of alcohol in micro-combustor with single electrode

GAN Yunhua, TONG Yang, LUO Zhibin
(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, Guangdong, China; Key Laboratory of Efficient and Clean Energy Utilization of Guangdong Province, Guangzhou 510640, Guangdong, China)

Electro-spraying is an important technique to enhance combustion of liquid fuel in micro-scale. A new combustor with nozzle diameter of 0.8 mm and single electrode was designed and fabricated. Experimental studies on electro-spraying and combustion were carried out using alcohol as fuel. Results showed four different electro-spraying modes with the variation of nozzle potential. The specific charges were measured at different electro-spraying modes, which were lower at the pulsed-jet mode, increased greatly, and reached a stable value at the cone-jet mode. The atomized alcohol was ignited and combusted stably near the mesh, which can be regarded as a flame holder. The flame temperatures increased first and then decreased with the increase of equivalent ratio. The flame temperature reached the maximum value at the equivalent ratio of 1.0, and the maximum value increased with the increase of nozzle potential. At the equivalent ratio of 1.0, the combustion efficiency reached 89% and fuel conversion efficiency reached 90% at cone-jet mode. The stable electro-spraying mode and suitable equivalent ratio are very important to the enhancement of combustion of alcohol in micro-scale.

microscale; alcohol; fuel; electro-spraying; combustion efficiency; conversion efficiency

date: 2015-04-27.

Prof. GAN Yunhua, ganyh@scut.edu.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (51376066) and the Central Universities Fundamental Research Progject in SCUT (D2154080).

10.11949/j.issn.0438-1157.20150530

TK 16

A

0438—1157（2015）11—4597—06

2015-04-27收到初稿，2015-05-25收到修改稿。

聯系人及第一作者：甘云華（1979—），男，教授。

國家自然科學基金項目（51376066）；中央高校基本科研業務費資助項目（D2154080）。