Experimentelle Methoden zur Schätzung der lokalen Wärmeströme und Verbrennungsraten in Steady laminaren Grenzschicht Diffusion Flames

Experimente haben in Abbildung 1 an der University of Maryland, gezeigt sowohl in einer vertikalen Anordnung und eine einzigartige horizontale Windkanal durchgeführt worden ist . Vielmehr traditionellen Zug oder geschlossenen Rückwindkanal als nutzt der Windkanal an der University of Maryland eine Variable stufiges Gebläse 100 x 75 x 100 cm Plenum, die den Luftstrom treibt einen Kanal am anderen Ende unter Druck zu setzen. Diese Konfiguration ermöglicht eine kontinuierliche Verbrennungsversuche wie Rauch wird nicht rezirkuliert, ist der Windkanal nicht durch das Feuer beschädigt oder beeinflußt und Thermoelemente sind in der Lage auf der ganzen Abtastabschnitt frei zu bewegen. Der Austrittskanal besteht aus einem 122 cm, 30,5 cm breit konvergierenden Abschnitt mit dem Plenum verbunden. Um den Fluss begradigen und reduzieren die eingehende Turbulenzintensität werden feinmaschigen Sieben am Eingang und am Ausgang des konvergierenden Abschnitt und eine 5 cm dicke Waben mit 0,3 cm Löcher platziert ist110 cm stromaufwärts vom Tunnelausgang platziert. Die Geschwindigkeit der Strömung der Windkanal verlass durch Variieren der Geschwindigkeit des Gebläses mit einer Pulsbreitenmodulation (PWM) -Steuerung und die Kraftstoffproben werden am Ausgang des Tunnels angeordnet ist, wo Strömungsgeschwindigkeiten wurden durch die Verwendung kontrolliert gesteuert wird eines hotwire Anemometer. Kraftstoffproben am Auslass des Windkanals wurden oben auf einer Wägezelle angeordnet, die kontinuierlich den Massenverlust der Probe im Laufe der Zeit misst. Um Störungen des Windes an der Wägezelle zu vermeiden, die Probe auf einem Blech aus Aluminium erhöht wurde (30,5 x 61,0 cm x 1,5 mm dick) durch zwei U-Klammern und von 1,27 cm dicken Keramikfaserdämmplatten umgeben eine glatte Oberfläche, um sicherzustellen, um die Brennprobe. Die obere Oberfläche der Platte wurde mit einem Hochtemperatur-schwarz matt Farbe mit einem Emissionsvermögen beschichtet ca. 98% eine gute Kulisse, um sicherzustellen, für die visuelle Beobachtung der Flamme und die Isolierung zu versiegelndie auch enthält organische Bindemittel. Da die Dämmplatten mit einer relativ stumpfen Körper auf die Anströmung präsentiert, direkt auf die Probe Setup-Platzierung führte zum Austritt des Windkanals in Strömungsablösungen und erhebliche Turbulenzen in Flammen beobachtet. Frühere Arbeiten von Ha et al. , Dass eine Verlängerungsplatte mit dem vorderen Abschnitt einer Kraftstoffprobe Anbringen dieses Strömungsablösung verhindert und gewährleistet eine laminare Strömungsprofil eingehenden zur Probe. Eine 10 cm breit, 40,6 cm langen , dünnen, Metalllippe war daher von der Vorderkante der Probe mit dem Ausgang des Windkanals angebracht ist , eine laminare Diffusionsflamme bietet , die schließlich gefunden wurde 7 bestehende Theorie übereinstimmen. Bei der Prüfung flüssiger Brennstoffe wurde ein poröses nicht brennbaren Docht benötigt. Ein 10 cm x 10 cm x 1,27 cm dicke Platte aus Erdalkali-Silicat-Wolle wurde für erzwungene Strömung Experimente ausgewählt aufgrund seiner hohen Porosität und eine geringe Wärmeleitfähigkeit. in order Leckage von Kraftstoff aus der Probe, Natriumsilikat zu verhindern, wurde Leim Aluminiumfolie, um alle mit Ausnahme der vorderen Fläche anzuwenden. Die Probe wurde auch "gebacken" organische Bindemittel zu entfernen, indem eine Lötlampe über die Probe für etwa 20 Minuten vorbei, an welchem ​​Punkt die Flamme von gelb nach blau gewechselt (mit Angabe der Entfernung von Bindemittel aus der Probe). Während des Tests Dochte waren durchnässt mit ca. 120 ml flüssigem Brennstoff (Ethanol oder Methanol), die den Punkt der Sättigung zu sein für die 10 cm breite Dochte gefunden wurde. Die Massenverbrennungsgeschwindigkeit des Kraftstoffs wurde durch Messen der Masse aus der Probe über die Zeit während der Verbrennung bei einer Rate von 1 Hz verloren bestimmt. Die Probe Aufbau wurde über eine Präzisions-Massenbilanz mit einer maximalen Kapazität von 32,2 kg und einer Auflösung von 0,1 g, fein genug unterstützte diese Massenverlustrate mit hoher Genauigkeit zu messen. Nach der Zündung der Probe durch eine Lötlampe, die Massenverlustrate der condensed Kraftstoff nimmt als Funktion der Zeit, was schließlich eine konstante Geschwindigkeit erreicht, die schließlich gegen Ende des Tests verblaßt, wenn der Brennstoff verbrennt. Diese "steady" Region, wo die Verdampfung des Kraftstoffs statt Diffusion durch den Docht brennt dominiert ist der interessierende Bereich in dem Daten abgetastet wird. Für eine flüssige Docht wurden Proben gefunden für etwa 400 sec mit einem stetigen Massenverlustrate zu verbrennen, etwa in der Mitte 80% eines Tests. Alle Abbrandgeschwindigkeiten dargestellt sind Mittelwerte von mindestens sechs wiederholten Tests unter bestimmten Bedingungen, in denen die Wiederholbarkeit der Messungen gefunden wurden innerhalb von 1,2% des Mittelwertes zu sein. Zum Testen einer festen Kraftstoffprobe, Polymethylmethacrylat (PMMA) wurde ausgewählt, da es relativ kontinuierlich brennt und nicht char. Um die Probe zu entzünden, wurde eine Lötlampe über die Probenoberfläche geführt 50-60 sec, an welchem ​​Punkt die gesamte Oberfläche gleichmäßig gezündet wurde. Weil dasKraftstoffprobe war klein und die experimentellen Ergebnisse sehr reproduzierbar zu sein, wurde das Verfahren als für eine Zündung ausreichend. Im Gegensatz zu flüssigen Brennstoffen in einen nicht brennbaren Docht getränkt, regredieren feste Brennstoffe als Funktion der Zeit und werden deshalb nie wirklich einen stetigen Regime erreichen. Stattdessen wurden frühen Zeiten des Brennens gewählt abgetastet werden, wo der Brennstoff relativ flach blieb, experimentell während der ersten 150 Sekunden nach der Zündung auftreten bestimmt. Für beide flüssige und feste Brennstoffe, die Temperaturen über die Kraftstoffoberfläche wurden in der Gasphase abgebildet mit Feindrahtthermoelemente. Für PMMA wurden Temperaturen an 6 Punkten über der Oberfläche der geschmolzenen Schicht in der Gasphase bei 0,25 mm Abständen (für Zwangskonvektion tests) ausgehend abgetastet. Für flüssige Brennstoffe, diese Messungen wurden von der dünnen Schicht von Kraftstoff an der Oberfläche, um 6 Punkte mit der gleichen Auflösung durchgeführt. Diese Profile wurden an 12 Standorten genommen alOng die Länge der Kraftstoffoberfläche, innerhalb von 400 Sekunden der Zündung für flüssige Proben und innerhalb von 150 Sekunden für PMMA. Die zuvor genannten Temperaturmessungen wurden durchgeführt unter Verwendung von R-Typ Pt / Pt-13% Rh Mikrothermoelemente (punktgeschweißt) mit zwei Drahtdurchmesser von 50 um (0,002 in) und 75 & mgr; m (0,003 in) mit Kugeldurchmessern von etwa 100 um und 150 & mgr; m, respectively. Die Größe der Thermoelemente wurde so gewählt, daß das Thermoelement so klein wie möglich war, ohne Bruch wiederkehrende (benötigte Strahlungskorrekturen zu minimieren), jedoch einige Strahlungskorrekturen waren immer noch notwendig. Die Verwendung von zwei Thermoelemente mit unterschiedlichen Durchmessern wurden gewählt, um besser eine geeignete Strahlungskorrektur (später beschrieben) bestimmen. Mikrothermoelemente wurden dann durchlaufen unter Verwendung eines Satzes von computergesteuerten XY unislides mit einer maximalen räumlichen Auflösung von 1,5 um. Spannungssignale wurden dann wurden ACQuired, konditioniert und digitalisiert über ein Datenerfassungsmodul auf 0,02 ° C Messempfindlichkeit bewertet werden. LabVIEW-Software wurde verwendet, um Bewegung von zu synchronisieren beiden 50 und 75 um Drahtdurchmesser Thermoelemente mit Temperaturmessung über die Probe. Um eine relativ genaue Strahlungskorrektur, die beiden Thermoelement Größen beschrieben wurden über die gleiche Stelle zu bestimmen, während der wiederholten Tests durchlaufen. Die Korrelation von Collis und Williams wurde für die Wärmeverluste aus der Probe angewendet 5-6,8, (1) wobei Nu die Nußelt – Zahl und Re = Ud w / v ist die Reynolds – Zahl, die für 0,02 <Re <44, mit Eigenschaften erhalten wurde bewertet ,an der Filmtemperatur, Τ m, eine durchschnittliche des Gases, Τ g und einem Thermoelement, Τ tc Temperaturen. Hier wird die Reynolds – Zahl Re , definiert als für die lokale Gasströmungsgeschwindigkeit U und der kinematischen Viskosität v angegeben. D w in Gl. (1) stellt das Thermoelement Drahtdurchmesser. Für stationäre Messungen, wie im hier beschriebenen Fall eine Energiebilanz auf dem Thermoelement-Übergang reduziert zu einer konvektiven-Strahlungswärmebilanz (Fehler aufgrund von Wärmeleitung und katalytische Effekte vernachlässigt), gegeben durch (2) 60, (3) wobei Τ g der Realgastemperatur, Τ tc das Thermoelement – Übergang (oder Wulst) Temperatur ist, Τ surr die Temperatur der Umgebung ist, ε tc die Emissivität des Thermoelementverbindung ist, σ die Stefan-Boltzmann – Konstante und h der konvektive Wärmeübertragungskoeffizient der Strömung über das Thermoelement – Übergang als h = k Nu / d definiert. k die thermische Leitfähigkeit des Gases ist, Nu die Nußelt – Zahl, und d der Thermoelement – Drahtdurchmesser. Die Wahl der Korrelations Nusselt-Zahl ist von größter Bedeutung eines Strahlungs Korrektur der gemessenen Thermoelementtemperatur bei der Berechnung, da, wie in Gl. (3) ist die Strahlungs Korrektur umgekehrt proportional der Nusselt-Zahl. Diese Wahl ist jedoch kompliziert aufgrund der exi Stence mehrerer "angemessen" Nusselt-Zahl Korrelationen und die Schwierigkeit bei der Abschätzung der Eigenschaften des Gasgemisches, das Thermoelement umgibt, insbesondere dessen Wärmeleitfähigkeit. Der Großteil der Beweise in der Literatur zeigt jedoch deutlich , dass eine zylindrische Nusselt – Zahl Korrelation ist am besten geeignet für die Beschreibung der konvektiven Wärmeübertragung auf fast allen praktischen Thermoelemente 5-6, bevorzugt , dass von Collis und Williams 8. Die Nusselt – Zahl Korrelation muss in einem stationären Zustand konvektiven-Strahlungsbilanz (Gleichung 3) und Vernachlässigung geringe Temperaturabhängigkeit, ein System von zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten (nämlich Τ g und U) substituiert sein kann gebildet werden , (4) t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> und (5) Gleichungen (4) und (5) muß in jedem Punkt iterativ gemeinsam gelöst werden, da Gasphasen Leitfähigkeiten und kinematische Viskositäten sowohl eine Funktion der Temperatur sind. Die Sicke Temperatur sollte wie die erste Iteration der Gastemperatur verwendet werden, um die Wärmeleitfähigkeit und die kinematische Viskosität, die mit der iterative Wert wieder aufgenommen zu bewerten, bis niedrige Fehler fahren werden. Wenn die Gleichungen zu lösen, erscheint es , dass die Strahlungskorrektur (dh die Differenz zwischen dem Thermoelement – Messwert und der Ist – Temperatur) für größere Durchmesser Thermoelemente erhöht und verringert sich mit einer Erhöhung der bead Strömungsgeschwindigkeiten über. D w 1 und d w 2 in Gl . (4) und (5) repärgern sich über die Thermoelement Drahtdurchmesser in unserer Studie verwendet. Das Emissionsvermögen des Wulstes (ε tc) auch als Funktion der Temperatur ermittelt werden , ein Verfahren Jakob 9 umrissen werden. In seiner Analyse Jakob löst für die komplexen Brechungsindizes auf einer metallischen Oberfläche als Funktion ihrer spezifischen elektrischen Widerstand Wellen Maxwell-Gleichungen. Eine Annahme wird in der Grenze von niedrigem Widerstand und großem Brechungsindizes entnommen, die für Metalle gilt, eine einfache Korrelation für den halbkugeligen Gesamt Emissivität von Platin Nachgeben (Pt) als, (6) wo, für Platin, r e ≈ r e, 273 T / 273, mit T in K und r e, 273 <em> = 11×10 -6 Ω-cm. Daher wird das Platin Emissivität 5-6 (7) für 0 <T <2330 K. Der Emissions des Thermo Perl- oder Kreuzung, wie in den Gleichungen erscheint. (4) und (5) kann daher unter Verwendung der obigen Ausdruck ausgewertet werden. Eine Iteration ist nicht erforderlich, Gln. (6) und (7), da der Ist-Wert des Wulstes Temperatur bekannt ist, werden nur die Gastemperatur und der Geschwindigkeit in Gln. (4) und (5) müssen iterativ gelöst werden. Während der Experimente wurden zwei Thermoelemente durchlaufen exakt den gleichen Messpunkten und wurde abgetastete Daten für die Strahlungskorrektur in den Temperaturmessungen Rechnung zu tragen. Die Korrekturen als Folge angewendet of Iterieren Gln. (4) und (5) waren klein, beispielsweise nur +79 K für die 50 & mgr; m Drahtdurchmesser Thermoelement auf 1.700 K und weniger als 5 K in der Nähe der Kraftstoffoberfläche 6. Da die Thermoelemente auch Quer Bereiche hoher Temperatur Berücksichtigung von Leitungsverluste durch den Draht Gradienten muß jedoch auch in Betracht gezogen werden, aufgrund der kleinen Querschnittsflächen der Thermodrähte wurden solche Fehler berechnet auf <1%, daher wurden keine Korrekturen notwendig 5-6. Mit der Kraftstoffoberfläche in der Mitte des Luftstroms am Ausgang des Windkanals angeordnet ist, einen einfachen Zugang zu der Kraftstoffoberfläche wurde für die Mikrothermoelement und Hitzdraht-Anemometer-Messungen zur Verfügung gestellt. Während Kaltfließdurchläufe des Windkanals (keine Verbrennung) der Freistromgeschwindigkeit, U ∞ des Windkanals wurde mit einem Heißdraht – Anemometer , die mit einer Geschwindigkeit von 50.000 Samples / Sekunde für insgesamt duratio abgetastet kalibriertn von 10 sec pro Punkt. Das Geschwindigkeitsprofil entlang des Auslasses des gesamten Tunnel wurde enthüllt genommen, dass eine konsistente Pfropfenströmung von der Mitte des Tunnels Auslass ausgeht. Dies wird für einen quadratischen Kanal, wie beispielsweise den Auslass der Windkanal erwartet. Früheren Messungen von Sforza et al. 10 zeigte , daß das Potential Kernlänge eines quadratischen Strahl mit Reynolds – Zahl Re d zwischen 2,6 und 8,8 x 10 4 sollte etwa 5 d stromabwärts der Austritts sein, wobei d die Höhe des Kanals ist. Für d = 30,48 cm, die Breite des Windkanals Auslass, Re d zwischen 1,5 x 10 4 und 3,9 x 10 4 in der Bedeutung der Probe innerhalb 1 d bleibt (20 cm) des Tunnels Auslass. Die Wiederholbarkeit der Messungen lag innerhalb 3% des Mittelwerts. Die Temperaturen wurden über die Oberfläche eines gezündeten Blatt von 10 cm gemessen x 10 cm x 1,27cm PMMA am Ausgang eines Windkanals platziert bei U ∞ = 0,79 m / s und 2,06 m / s arbeitet. Die Verfahren oben umrissenen wurden verwendet , Temperaturmessungen zu erfassen , die in Bezug auf die normale Länge y * = y / L und der Temperatur T * = nicht-dimensions waren (T – T w, p / T fl, ad – T w, p) gegebenen Τ w, p und Τ fl, ad Wand und adiabatische Flammentemperaturen darstellen, die jeweils für einen bestimmten Kraftstoff, y die Position senkrecht zu der Kraftstoffoberfläche in dem die Temperatur gemessen wird , und L die Länge der Kraftstoffoberfläche. Die dimensionslose Temperatur auf der Oberfläche Gradienten normale wurden dann berechnet (∂ T * / ∂ y *) y * = 0 durch ein Polynom fünfter Ordnung in den dimensionslosen Temperaturen Montage und die Steigung an der Kraftstoffoberfläche zu extrahieren, y * = 0. <p class="jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> 2 (a) zeigt die entlang der Länge der Kraftstoffoberfläche diese dimensionslosen Temperaturgradienten. Sie sind deutlich am höchsten an der Vorderkante der Kraftstoffoberfläche, wo die Flamme am nächsten an der Kraftstoffoberfläche ist, und eine Verringerung in Richtung auf die Hinterkante (x = 100 mm), wobei die Flamme am weitesten von der Kraftstoffoberfläche ist. Die dimensionslose Temperaturgradienten können verwendet werden , um die lokale Massenverbrennungsrate zu bestimmen , indem die Korrelation 4,6 Anwendung (8) wobei B die Massenübergangszahl des bestimmten Kraftstoff, k w die Wärmeleitfähigkeit von Luft an der Wandtemperatur ausgewertet, c p die spezifische Wärme der Luft bei einer adiabaten Flammentemperatur des Kraftstoffs ausgewertet und L </ Em> die Länge der Pyrolysieren Kraftstoffoberfläche. Die lokale Massenverbrennungsgeschwindigkeit wird dann ähnlich wie die dimensionslose Temperaturgradienten in einer Weise zu variieren , gefunden, das in Abbildung 2 (b). Im Gegensatz zu flüssigen Brennstoffen, für PMMA der lokale Massenverbrennungsrate kann auch nachträglich durch Messung lokale Oberflächen Regression über feste Zeitintervalle 2,11 angenähert werden. PMMA-Proben wurden bei 50 sec und die Erhöhung in 50 Sekunden-Intervallen für Zeiträume beginnend gefolgt unter repräsentativen Bedingungen verbrannt durch Extinktion der Probe. Die Pyrolyse Massenströmungsrate für PMMA ist an jedem x – Position entlang der zentralen Symmetrie berechnet eine Näherung erster Ordnung von Pizzo gegebene Achse unter Verwendung et al. 11, in der Literatur 4-6 an anderer Stelle diskutiert. Eine durchschnittliche Dichte von PMMA, ρ s = 1,190 kg / m 3 zusammen mit gemessenen Oberflächenregressions entlang der Kraftstoffoberfläche verwendet wurde , umwährend jeder 50 Sekunden Intervall entlang der Länge der Kraftstoffprobe bei Massenverlustraten kommen. Obwohl eine kürzere Schrittzeit wünschenswert wäre, Fehler bei der Messung machen es unpraktisch, wenn Zeitschritte sind weniger als 50 sec 5. Zum Vergleich wurden lokale Massenverlustraten von Thermoelemente mit denen aus Regressions Profile, Daten aus Brennstoff Burnout Zeiten von 100 und 150 s verwendet , um die lokalen Massenverbrennungsraten in Abbildung gezeigt vergleichen 2 (b). Diese Zeiten entsprechen ungefähr der gleichen Zeit diese Messungen aufgenommen wurden. Wie in der Figur zu sehen ist, erscheinen zueinander beide Verfahren die lokale Massenverbrennungsgeschwindigkeit des Messens sehr nahe, was auf die Methode eignet sich gut für diese Art von Flammen. Für konvektiv-dominiertem Flammen wie diese kleinen, laminare diejenigen, Temperaturgradienten an der Kraftstoffoberfläche kann auch zu extrahieren con verwendet werdenvective Wärmeflüsse, wie sie sind, im Wesentlichen direkt an der Oberfläche des Temperaturgradienten bezogen. Mit gemessenen Massenverlustraten, Komponenten der Flamme Wärmefluss kann auch entlang der Pyrolysezone extrahiert werden. Verwendung von mehreren Annäherungen an die Wärmebilanz an der Kraftstoffoberfläche, angegeben in der Literatur anderswo 2-3 können diese Komponenten über die Oberfläche einer brennenden Platte aus PMMA bestimmt werden. 3 zeigt dieses Ergebnis für eine PMMA – Flamme mit einer Umgebungs frei stabilisiertes -Strom Geschwindigkeit U ∞ = 2,06 m / sec. Die Technik kann daher äußerst nützlich sein, verschiedene Maßnahmen bei der Bewertung der Verbrennung von kleinen Proben der Kraftstoffe zu beschreiben, was das Verständnis des Verbrennungsprozesses erhöht, insbesondere die Beziehung zwischen dem Feststoff und Gasphase. Abbildung 1. Experimental – Setup. (a) Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus verwendet , um Massenverlustraten und Temperaturprofile über eine zwangskonvektiv Grenzschicht Diffusionsflamme messen. (B) Versuchsaufbau zur Grenzschicht Diffusionsflammen unter Zwangsströmung zu untersuchen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 2. Temperaturgefälle und Lokale Brenngeschwindigkeit Ergebnisse. (A) Variation der normalen , nicht-dimensionalen Temperaturgradienten entlang der Kraftstoffoberfläche für PMMA – Grenzschicht – Diffusionsflamme bei U ∞ = 0,79 m / s und 2,06 m / s auf. (B) Variation der lokalen Massen Abbrandgeschwindigkeiten für PMMA Grenzschicht diffusidie Flammen an verschiedenen Freistrahlbedingungen. Lokale Massenverbrennungsraten dimensionslose Temperaturgradienten erhalten durch gegen den experimentellen Daten verglichen wird durch Regression der Oberfläche PMMA erhalten. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen. Abbildung 3. Wärmefluss – Ergebnisse unter Zwangsströmung. Verteilung der verschiedenen Komponenten der Flamme Wärmefluss in der Pyrolysezone für PMMA – Grenzschicht – Diffusionsflamme bei U ∞ = 2,06 m / s. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.