Metodologia sperimentale per la stima della locale Calore flussi e masterizzazione Tariffe a Steady limite laminare Fiamme strato di diffusione

Gli esperimenti sono stati condotti sia in configurazione verticale ed una galleria del vento orizzontale unica all'Università del Maryland, mostrato in Figura 1. Invece di un pull tradizionale o chiuso galleria del ritorno del vento, la galleria del vento presso l'Università del Maryland utilizza una variabile velocità della ventola per pressurizzare un plenum cm 100 x 75 x 100 che guida il flusso d'aria su un condotto all'estremità opposta. Questa configurazione consente esperimenti di combustione continui come il fumo non è ri-circolare, la galleria del vento non sia danneggiato o influenzato dal fuoco e termocoppie sono in grado di muoversi liberamente in tutta la sezione di campionamento. Il condotto di uscita costituito da un 122 cm, sezione convergente larghezza 30,5 cm collegato al plenum. Per raddrizzare il flusso e ridurre l'intensità di turbolenza in arrivo, schermi a maglia fine sono poste all'ingresso e all'uscita della sezione convergente e 5 cm di spessore con nido d'ape 0,3 cm fori èlocale 110 cm monte dall'uscita del tunnel. La velocità del flusso in uscita dal tunnel del vento viene controllata variando la velocità della ventola con un Pulse Width Modulation (PWM) campioni controller e carburante sono posti all'uscita del tunnel, in cui le velocità di flusso sono stati controllati mediante l'uso di un anemometro hotwire. campioni di carburante allo sbocco della galleria del vento sono stati collocati in cima ad una cella di carico che misura costantemente la perdita di massa del campione nel tempo. Per evitare disturbi del vento alla cella di carico, il campione è stato elevato su un foglio di alluminio (30,5 x 61,0 cm x 1,5 mm di spessore) da due staffe a U e circondato da 1,27 cm nobilitato spessore isolante in fibra ceramica per garantire una superficie liscia attorno al campione che brucia. La superficie superiore della tavola è stata rivestita con una vernice nera opaca alta temperatura con una emissività circa il 98% per garantire un buon contesto per osservare visivamente la fiamma e per sigillare l'isolamentoche contiene anche leganti organici. Poiché il pannello isolante presenta un corpo relativamente smussato al flusso in entrata, ponendo la configurazione campione direttamente nella presa della galleria del vento ha determinato la separazione di flusso e la turbolenza significativa osservata in fiamme. Precedente lavoro di Ha et al. Pensa che fissare una piastra di estensione della sezione anteriore del campione di carburante impedito questa separazione di flusso e garantire un profilo di flusso laminare in entrata al campione. A 10 cm di larghezza 40,6 cm lungo e sottile, labbra, metallo era quindi montato dal bordo del campione alla presa della galleria del vento, fornendo una fiamma a diffusione laminare che alla fine è risultato corrispondere teoria 7 esistente. Nei test combustibili liquidi è stato necessario uno stoppino noncombustible porosa. A 10 cm x 10 cm x 1,27 cm di spessore foglio di alcalino lana silicati è stato selezionato per esperimenti di flusso forzato a causa della sua elevata porosità e bassa conducibilità termica. Io norder per evitare perdite di combustibile dal campione, colla silicato di sodio è stato utilizzato per applicare un foglio di alluminio per tutti tranne la faccia anteriore. Il campione è stato anche "cotto 'per rimuovere leganti organici passando una fiamma ossidrica sul campione per circa 20 minuti, a quel punto la fiamma cambiato dal giallo al blu (che indica la rimozione di leganti dal campione). Durante il test, stoppini erano bagnato con circa 120 ml di combustibile liquido (etanolo o metanolo) che è risultato essere il punto di saturazione per 10 cm di larghezza stoppini. La velocità di combustione massa del combustibile è stata determinata misurando la massa persa dal campione nel tempo durante la combustione ad una velocità di 1 Hz. La configurazione di esempio è stata sostenuta nel corso di un bilancio di massa di precisione con una capacità massima di 32,2 kg e una risoluzione di 0,1 g, abbastanza bene per misurare il tasso di perdita di massa con alta precisione. Dopo l'accensione del campione da una fiamma ossidrica, il tasso di perdita di massa del condensed carburante aumenta in funzione del tempo, fino a raggiungere una velocità costante che svanisce casualmente verso la fine del test come il combustibile brucia. Questa regione "fisso", dove l'evaporazione del combustibile anziché diffusione attraverso lo stoppino domina brucia, è la regione di interesse in cui viene campionato dati. Per uno stoppino liquido, campioni sono stati trovati a bruciare con un tasso di perdita di massa costante per circa 400 secondi, a circa la metà 80% di un test. Tutte le tariffe di masterizzazione presentati sono medie di almeno sei prove ripetute a determinate condizioni, dove la ripetibilità delle misure sono risultate entro 1,2% della media. Per il test di un campione combustibile solido, polimetilmetacrilato (PMMA) è stato selezionato come brucia relativamente costante e non fa char. Per accendere il campione, una fiamma ossidrica è stata passata sopra la superficie del campione per 50-60 secondi, a quel punto l'intera superficie è stata uniformemente accesa. Perché ilcampione di carburante era piccola ei risultati sperimentali trovati per essere molto ripetibile, il metodo è stato ritenuto sufficiente per l'accensione. A differenza dei combustibili liquidi imbevuti in uno stoppino noncombustible, combustibili solidi regrediscono in funzione del tempo e sono quindi mai raggiungere veramente un regime costante. Invece, primi tempi di combustione sono stati scelti da campionare in cui il combustibile rimasto relativamente piatta, sperimentalmente determinato a verificarsi durante i primi 150 sec dopo l'accensione. Per entrambi i combustibili liquidi e solidi, temperature sulla superficie del combustibile sono stati mappati in fase gassosa mediante termocoppie fine-wire. Per PMMA, temperature sono state campionate a 6 punti sopra la superficie partendo dallo strato fuso nella fase gassosa a 0.25 mm intervalli (per prove convezione forzata). Per i combustibili liquidi, queste misure sono state effettuate dallo strato sottile di combustibile in superficie ad 6 punti alla stessa risoluzione. Questi profili sono state prese a 12 sedi di Along la lunghezza della superficie di combustibile, a circa 400 secondi di accensione per campioni liquidi ed entro 150 sec per PMMA. Le misure di temperatura sopra sono state effettuate utilizzando R-tipo Pt / Pt-13% Rh micro termocoppie (punto saldato) con due diametri di filo, 50 micron (0,002 in) e 75 micron (0,003 in) aventi diametri branello di circa 100 um e 150 micron, rispettivamente. La dimensione delle termocoppie stato scelto in modo che la termocoppia era più piccolo possibile, senza rotture ricorrenti (per minimizzare correzioni radiazione necessaria), tuttavia alcune correzioni radiazioni sono ancora necessarie. Utilizzando due termocoppie di diverso diametro sono stati scelti per determinare meglio una correzione radiazione appropriata (descritto più avanti). termocoppie Micro stati poi attraversate utilizzando un set di unislides XY controllati dal computer con una risoluzione spaziale massima di 1,5 micron. Segnali di tensione sono stati poi stati ACQuired, condizionata e digitalizzati tramite un modulo di acquisizione dati nominale fino a 0,02 ° C sensibilità di misura. LabVIEW è stato utilizzato per sincronizzare il movimento di entrambi i 50 micron e 75 micron termocoppie filo diametro con misurazione della temperatura sul campione. Per determinare una correzione radiazione relativamente accurato, le due grandezze termocoppia descritti sono stati attraversati sulla stessa posizione durante prove ripetute. La correlazione di Collis e Williams è stato applicato per le perdite di calore dal campione 5-6,8, (1) dove Nu è il numero di Nusselt e Re = Ud w / v è il numero di Reynolds, che è stato ottenuto per 0.02 <re <44, con proprietà valutatoalla temperatura di film, Τ m, una media del gas, g, e termocoppia, t si temperature tc. qui, il numero reynolds re è definito come indicato per la velocità flusso gas locale u viscosità cinematica v. d w in eq. (1) rappresenta diametro filo della termocoppia. misure stato stazionario, nel caso qui descritto, un bilancio energetico sulla giunzione termocoppia riduce al termico convettivo radiativo (trascurando errori dovuti alla conduzione effetti catalitici), (2) 60; (3) dove g reale tc (o tallone) temperatura, surr dell'ambiente circostante, ε l'emissività σ stefan-boltzmann costante h coefficiente scambio sopra definita k nu > e (5) Le equazioni (4) e (5) deve essere risolto iterativamente in ogni punto, poiché conducibilità in fase gas e viscosità cinematica sono sia una funzione della temperatura. La temperatura tallone dovrebbe essere usato come la prima iterazione della temperatura dei gas di valutare la conducibilità termica e viscosità cinematica, con il valore iterativo nuovamente taken fino bassi errori vengono avvicinati. Quando risolvendo le equazioni, sembra che la correzione radiazione (cioè, la differenza tra la lettura termocoppia e la temperatura effettiva) aumenta per termocoppie diametro maggiore e si riduce con l'aumentare della velocità di flusso sopra il tallone. D w 1 e d w 2 nelle eq . (4) e (5) reprisentirsi i diametri di filo termocoppia utilizzate nel nostro studio. L'emissività del tallone (ε tc) si possono trovare anche in funzione della temperatura mediante un metodo descritto da Jakob 9. Nella sua analisi, Jakob risolve equazioni delle onde di Maxwell per i complessi indici di rifrazione su una superficie metallica in funzione della sua resistività elettrica. Un presupposto è presa nel limite di bassa resistività e grandi indici di rifrazione, che vale per metalli, ottenendo una semplice correlazione per l'emissività totale emisferica di platino (Pt) come, (6) dove, per il platino, r e r ≈ e, 273 T / 273, con T in K e r e, 273 <em> = 11×10 -6 Ω-cm. Pertanto, l'emissività platino diventa 5-6 (7) per 0 <t <2.330 k. l'emissività del cordone termocoppia o giunzione, come appare in eq. (4) e (5) può quindi essere valutata utilizzando l'espressione sopra. un'iterazione non è necessario per (6) (7) perché il valore reale della temperatura tallone noto, solo la gas velocità nelle devono risolti modo iterativo. durante gli esperimenti, due termocoppie sono attraversati esattamente stessi punti di misurazione dati stati campionati spiegare correzione radiazione misure temperatura. le correzioni applicate risultato of iterazione erano piccole, ad esempio +79 k i 50 micron filo diametro 1.700 meno 5 vicino alla superficie carburante 6. poiché anche regioni trasversali alta gradienti considerazione delle perdite conduzione attraverso deve considerato, tuttavia a causa piccole aree sezioni dei fili termocoppia, tali errori calcolati <1%, nessuna fosse 5-6. con combustibile posizionato al centro flusso d'aria all'uscita galleria vento, un facile accesso stata prevista micro misurazioni anemometro caldo. corre freddo vento (nessuna combustione) corrente libera, u ∞ stato calibrato caldo, che campionato una frequenza 50.000 campioni > Figura 2 (a) mostra questi gradienti di temperatura non dimensionali lungo la lunghezza della superficie di combustibile. Sono chiaramente più alto all'avanguardia della superficie del combustibile, in cui la fiamma è più vicino alla superficie del combustibile, e diminuiscono verso il bordo d'uscita (x = 100 mm), in cui la fiamma è più lontano dalla superficie del combustibile. I gradienti di temperatura non dimensionali possono essere utilizzati per determinare il tasso di massa a legna locale applicando la correlazione 4,6, (8) dove B è il numero di trasferimento di massa del combustibile proposta, k w la conducibilità termica dell'aria valutata alla temperatura di parete, c p il calore specifico dell'aria valutata ad una temperatura adiabatica di fiamma del combustibile, e L </em> la lunghezza della superficie di combustibile pyrolyzing. Il tasso di massa brucia locale è poi trovato variare in modo simile ai gradienti di temperatura adimensionali, illustrata in figura 2 (b). A differenza dei combustibili liquidi, per PMMA il tasso di massa che brucia locale può anche essere approssimata a posteriori, misurando la regressione della superficie locale su intervalli di tempo fissi 2,11. campioni PMMA sono state bruciate in condizioni rappresentative per periodi di tempo a partire da 50 sec e aumentando a intervalli di 50 sec seguiti da estinzione del campione. La portata massica pirolisi per PMMA è calcolato in ciascuna posizione x lungo l'asse di simmetria centrale utilizzando un primo ordine di approssimazione in Pizzo et al. 11, discusso nella letteratura altrove 4-6. Una densità media di PMMA, ρ s = 1,190 kg / m 3 è stato utilizzato insieme con regressione superficie misurata lungo la superficie carburantearrivare a tassi di perdita di massa durante ogni intervallo di 50 sec lungo la lunghezza del campione di carburante. Anche se un passo più breve tempo sarebbe auspicabile, errori di misura rendono diventa impraticabile quando passi temporali sono meno di 50 sec 5. Per confrontare i tassi di perdita di massa locali di termocoppie con quelli provenienti da profili di regressione, i dati dai tempi di burnout di carburante di 100 e 150 secondi sono stati usati per confrontare le velocità di combustione di massa locali mostrati in figura 2 (b). Questi tempi corrispondono a circa lo stesso tempo sono state prese queste misure. Come si vede nella figura, entrambi i metodi di misurazione della velocità di combustione di massa locale appaiono molto vicini l'uno all'altro, suggerendo la metodologia funziona bene per questi tipi di fiamme. Per fiamme convezione dominata, come questi piccoli, quelli laminari, gradienti di temperatura in superficie del carburante può essere utilizzato anche per estrarre conflussi di calore vezione come sono, in sostanza, direttamente collegate al gradiente di temperatura sulla superficie. Utilizzando tassi di perdita di massa misurati, componenti del flusso di calore della fiamma possono essere estratti lungo la zona di pirolisi. Utilizzando diverse approssimazioni al bilancio termico sulla superficie del combustibile, indicato in letteratura altrove 2-3, questi componenti possono essere determinati sulla superficie di una lastra di combustione di PMMA. Figura 3 mostra questo risultato, una fiamma PMMA stabilizzato con una connessione ambient velocità -stream di U ∞ = 2.06 m / sec. La tecnica può quindi essere estremamente utile per valutare diverse misure per descrivere la combustione di piccoli campioni di combustibili, portando ad una maggiore comprensione del processo di combustione, in particolare il rapporto tra la fase solida e gas. Figura 1. Esperimentoal programma di installazione. (a) Schema del setup sperimentale utilizzato per misurare i tassi di perdita di massa e profili di temperatura nel corso di un a convezione forzata fiamma strato limite di diffusione. (B) messa a punto sperimentale per lo studio di confine fiamme strato di diffusione sotto flusso forzato. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 2. Gradiente di temperatura e velocità di combustione locali Risultati. (A) Variazione delle normali gradienti di temperatura non dimensionali lungo la superficie del carburante per uno strato limite di diffusione di fiamma PMMA a U ∞ = 0,79 m / sec e 2,06 m / sec, rispettivamente. (B) Variazione dei tassi di massa che brucia locali per diffusi PMMA strato limiteil fuoco a diverse condizioni di assenza di flusso. Velocità di combustione di massa locali ottenuti attraverso gradienti di temperatura non dimensioni è confrontati con i dati sperimentali ottenuti tramite la regressione della superficie PMMA. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura. Figura 3. Heat Flux Risultati sotto forzata del flusso. Distribuzione delle varie componenti del flusso di calore fiamme nella zona di pirolisi per uno strato limite di diffusione di fiamma PMMA a U ∞ = 2.06 m / sec. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.