Metodologia experimental para Estimativa do local fluxos de calor e queima Tarifas em estacionário limite laminar Chamas camada de difusão

As experiências foram realizadas tanto com uma configuração vertical e uma instalação de túnel de vento horizontal original da Universidade de Maryland, mostrado na Figura 1. Em vez de um puxão tradicional ou túnel retorno vento fechado, a instalação de túnel de vento na Universidade de Maryland utiliza uma variável soprador velocidade para pressurizar um 100 x 75 x 100 cm de plenum, que dirige o fluxo de ar para fora de uma conduta na extremidade oposta. Esta configuração permite que os experimentos de combustão contínuas como o fumo não é re-circulada, o túnel de vento não está danificado ou influenciadas pelo fogo e termopares são capazes de mover-se livremente ao longo da seção de amostragem. A conduta de saída consiste num 122 cm, secção convergente 30,5 cm de largura, ligada à câmara de pressão. Para endireitar o fluxo e reduzir a intensidade de turbulência de entrada, telas de malha fina são colocados na entrada e saída da secção convergente e uma 5 cm de favo de mel de espessura com 0,3 cm buracos écolocados 110 cm a montante da saída do túnel. A velocidade do fluxo que sai do túnel de vento é controlada fazendo variar a velocidade do ventilador com uma largura de pulso-modulação (PWM) amostras de controlador e de combustível são colocados na saída do túnel, onde as velocidades de fluxo foram verificadas através do uso de um anemômetro hotwire. As amostras de combustível na saída do túnel de vento foram colocados no topo de uma célula de carga, que mede continuamente a perda de massa da amostra ao longo do tempo. Para evitar perturbações do vento para a célula de carga, a amostra foi elevada sobre uma folha de alumínio (30,5 x 61,0 cm x 1,5 mm de espessura) por dois U-suportes e rodeado por 1,27 cm de espessura da placa de fibra cerâmica de isolamento para assegurar uma superfície lisa ao redor da amostra queima. A superfície de topo da placa foi revestida com uma alta temperatura da tinta preto mate com uma emissividade de aproximadamente 98% para assegurar uma boa pano de fundo para observar visualmente a chama e para selar o isolamentoque também contém ligantes orgânicos. Uma vez que a placa de isolamento apresenta um corpo relativamente fechado para o fluxo de entrada, colocando a configuração amostra directamente na saída do túnel de vento resultou na separação de fluxo e a turbulência significativa observada em chamas. Os trabalhos anteriores por Ha et ai. Descobriram que a atribuição de um placa de extensão para a secção principal de uma amostra de combustível impediu esta separação de fluxo e assegurado um perfil de fluxo laminar de entrada para a amostra. A 10 cm de largura, 40,6 cm de comprimento fina, lábio de metal, por conseguinte, foi montado a partir do bordo de ataque da amostra para a saída do túnel de vento, proporcionando uma chama de difusão laminar que, eventualmente, foi encontrada para combinar teoria 7 existente. Em testes combustíveis líquidos era necessário um pavio noncombustible poroso. A 10 cm x 10 cm x 1,27 cm de espessura de folha de Alkaline silicato de terra lã foi selecionado para experimentos escoamento forçado, devido à sua alta porosidade e baixa condutividade térmica. Eu nãorder para evitar fugas de combustível a partir da amostra, cola de silicato de sódio foi usado para aplicar a folha de alumínio para todos, excepto a face frontal. A amostra foi também "cozido" para remover ligantes orgânicos por meio de um maçarico através da amostra durante aproximadamente 20 minutos, altura em que a chama mudou de amarelo para azul (que indica a remoção dos ligantes a partir da amostra). Durante o teste, mechas foram embebidos com cerca de 120 ml de combustível líquido (etanol ou metanol), que foi encontrado como sendo o ponto de saturação para as mechas 10 cm de largura. A taxa de queima de massa do combustível foi determinada medindo a perda de massa a partir da amostra ao longo do tempo durante a combustão a uma velocidade de 1 Hz. A configuração amostra foi apoiado ao longo de um balanço de massa de precisão com uma capacidade máxima de 32,2 kg e resolução de 0,1 g, fina o suficiente para medir essa taxa de perda de massa com alta precisão. Após a ignição da amostra por um maçarico, a taxa de perda de massa do condensed combustível aumenta como uma função de tempo, eventualmente atingindo uma taxa constante que eventualmente desaparece no final do teste como o combustível é queimado fora. Esta região "estável", em que a evaporação do combustível em vez de difusão através do pavio domina queima, é a região de interesse, onde os dados são amostrados. Para um pavio líquido, as amostras foram encontradas para queimar, com uma taxa de perda de massa estável por cerca de 400 seg, aproximadamente o meio de 80% de um teste. Todas as tarifas queima apresentados são médias de pelo menos seis ensaios repetidos, sob condições especificadas, onde a repetibilidade das medições foram encontrados para estar dentro de 1,2% da média. Para os testes de uma amostra de combustível sólido, polimetil metacrilato (PMMA) foi selecionado como ele queima relativamente constante e não de char. A fim de acender a amostra, um maçarico foi passado sobre a superfície da amostra de 50-60 seg, altura em que toda a superfície foi uniformemente inflamado. Porque oamostra de combustível era pequena e os resultados experimentais que se verificou serem muito reproduzível, o método foi considerada suficiente para a ignição. Ao contrário dos combustíveis líquidos embebidos dentro de um pavio não combustível, combustíveis sólidos regredir como uma função de tempo e são, portanto, nunca realmente atingir um regime constante. Em vez disso, os tempos de início de queima foram escolhidos a amostrar onde o combustível permaneceu relativamente plana, determinada experimentalmente para ocorrer durante o primeiro 150 seg a seguir à ignição. Para ambos os combustíveis líquidos e sólidos, temperaturas superiores a superfície de combustível foram mapeados na fase gasosa usando termopares de fio fino. Por PMMA, as temperaturas foram amostrados a 6 pontos acima da superfície a partir da camada fundida em fase gasosa, a intervalos de 0,25 mm (para ensaios de convecção forçadas). Para os combustíveis líquidos, estas medições foram realizadas a partir da fina camada de combustível à superfície para 6 pontos com a mesma resolução. Esses perfis foram tiradas em 12 locais aoong o comprimento da superfície de combustível, dentro de 400 segundos de ignição para amostras líquidas e dentro de 150 segundos para o PMMA. As medições de temperatura acima mencionados foram realizados usando R-tipo Pt / Pt-13% de HR micro termopares (soldadas) com dois diâmetros de arame, 50 um (0,002 in) e 75 ^ m (0,003 polegadas) que têm diâmetros do grânulo de cerca de 100 um e 150 uM, respectivamente. O tamanho dos termopares foi escolhido de tal modo que o termopar era tão pequeno quanto possível, sem rotura, recorrentes (para minimizar correcções radiação necessária), no entanto, algumas correcções de radiação ainda eram necessárias. O uso de dois termopares de diâmetros diferentes foram escolhidas de modo a melhor determinar uma correcção de radiação apropriado (descrito mais tarde). termopares Micro foram então percorrido usando um conjunto de unislides XY controlados por computador com uma resolução máxima espacial de 1,5 m. sinais de tensão foram, em seguida, foram ACQuired, condicionado e digitalizado através de um módulo de aquisição de dados nominal de até 0,02 ° C sensibilidade de medição. o software LabVIEW foi usado para sincronizar o movimento de ambos os 50 uM e 75 uM termopares de fio de diâmetro com medição da temperatura sobre a amostra. A fim de determinar uma correcção de radiação relativamente precisa, os dois tamanhos do termopar foram descritos atravessado sobre o mesmo local durante ensaios repetidos. A correlação de Collis e Williams foi aplicada para as perdas de calor a partir da amostra de 5-6,8, (1) em que Nu é o número de Nusselt e Re = Ud w / v é o número de Reynolds, a qual foi obtida para 0,02 <Re <44, com propriedades avaliadasà temperatura de filme, Τ m, uma média do gás, Τ g, e termopar, Τ temperaturas tc. Aqui, o número de Reynolds Re é definido tal como indicado para a velocidade de fluxo de gás local L e viscosidade cinemática v. D w na Eq. (1) representa o diâmetro do fio do termopar. Para medições de estado estacionário, como no caso descrito, um balanço de energia na junção termopar reduz-se a um equilíbrio de calor por convecção-radiativos (negligenciar erros devido à condução e efeitos catalíticos), dada pela (2) 60; (3) onde Τ g é a temperatura do gás real, Τ TC é a junção de termopar (ou pérola) temperatura, Τ surr representa a temperatura do ambiente, ε TC é a emissividade da junção de termopar, σ é o de Stefan-Boltzmann constante e h é o coeficiente de transferência de calor por convecção do fluxo através da junção de termopar definido como h = K Nu / d. K é a condutividade térmica do gás, Nu é o número de Nusselt, e d é o diâmetro do fio do termopar. A escolha do número de Nusselt correlação é de suma importância para o cálculo de uma correcção de radiação para a temperatura termopar medido porque, como mostrado na Eq. (3), a correcção da radiação é inversamente proporcional ao número de Nusselt. Esta escolha é complicada, no entanto, devido à exi stence de múltiplas "apropriadas" Número de Nusselt correlações e a dificuldade de estimativa das propriedades da mistura de gás que rodeiam o termopar, em particular a sua condutibilidade térmica. A maior parte das evidências na literatura, no entanto, indica claramente que um cilíndrico Nusselt correlação número é o mais apropriado para descrever a transferência de calor por convecção a quase todos os termopares práticos 5-6, de preferência a de Collis e Williams 8. O número de Nusselt correlação deve ser substituído em um estado de equilíbrio estável convectivo-radiativos (equação 3) e pequena dependência com a temperatura negligenciando, um sistema de duas equações com duas incógnitas (nomeadamente Τ G e U) são formados, (4) t "fo: manter-together.within-page =" 1 "> e (5) As equações (4) e (5) tem de ser resolvido de forma iterativa em conjunto em cada ponto, desde condutividades de fase gasosa e viscosidades cinemáticas são ambos função da temperatura. A temperatura do grânulo deve ser usada como a primeira iteração de temperatura do gás de se avaliar a condutividade térmica e a viscosidade cinemática, com o valor iterativo retomado até baixos erros são abordados. Ao resolver as equações, verifica-se que a correcção de radiação (isto é, a diferença entre a leitura do termopar e a temperatura real) aumenta para termopares de maior diâmetro e é reduzida com o aumento da velocidade do fluxo sobre o grânulo. D W 1 e d w 2 nas Equações . (4) e (5) repressentir-se os diâmetros de fios termopares usados ​​em nosso estudo. A emissividade do talão (ε TC) também podem ser encontradas como uma função da temperatura por meio de um método descrito por Jakob 9. Na sua análise, Jakob resolve as equações de Maxwell onda para os índices de refracção de complexos sobre uma superfície metálica, como uma função da sua resistividade eléctrica. Uma suposição é tomada no limite de baixa resistividade e grandes índices de refração, que vale para metais, produzindo uma correlação simples para a emissividade total de hemisférico de platina (Pt) como, (6) onde, para a platina, R e R e ≈, 273 T / 273, com T em K e R e, 273 <em> = 11×10 -6 Ω-cm. Portanto, a emissividade da platina torna-se 6/5 (7) para 0 <t <2,330 K. A emissividade do cordão de termopar ou junção, como aparece nas equações. (4) e (5) pode, portanto, ser avaliada pela utilização de expressão acima. Uma iteração não é necessário para Eqs. (6) e (7), porque o valor real da temperatura do grânulo é conhecido, apenas a temperatura do gás e da velocidade na Eqs. (4) e (5) precisa de ser resolvido de forma iterativa. Durante as experiências, dois termopares foram atravessados ​​exactamente para os mesmos pontos de medição e os dados foram amostrados para ter em conta a correcção da radiação nas medições de temperatura. As correções aplicadas como resultado of iteração Eqs. (4) e (5) foram pequenos, por exemplo, apenas 79 K para o 50 um fio de termopar de diâmetro a 1700 K e menos do que 5 K perto da superfície do combustível 6. Uma vez que os termopares também regiões transversais de alta temperatura gradientes consideração das perdas de condução através do fio, também deve ser considerado, no entanto, devido às pequenas áreas das secções transversais dos fios de termopar, tais erros foram calculadas para ser de <1%, por conseguinte, não há correcções foram necessárias 5-6. Com a superfície de combustível posicionado no centro da corrente de ar na saída do túnel de vento, é fácil o acesso à superfície do combustível foi fornecida por micro termopar e medições anemómetro de fio quente. Durante corre frio fluxo de túnel de vento (sem combustão) a velocidade de livre-stream, U ∞ do túnel de vento foi calibrado usando um anemômetro de fio quente que amostrados a uma taxa de 50.000 amostras / seg para um total de duration de 10 segundos por ponto. O perfil de velocidade de saída ao longo do de todo o túnel foi feita, revelando que um tampão consistente de escoamento com origem a partir do centro da saída do túnel. Isto é esperado para um canal de quadrado, tais como a saída do nosso túnel de vento. Medições anteriores por Sforza et al. 10 mostrou que o potencial comprimento do núcleo de um jacto de quadrado com número de Reynolds Re d entre 2,6 e 8,8 x 10 4 deve ser de cerca de 5 d a jusante da saída, em que d representa a altura do canal. Para d = 30,48 cm, a largura da saída do túnel de vento, Re d situa-se entre 1,5 x 10 4 e 3,9 x 10 4 significado da amostra permanece dentro de um d (20 cm) da saída do túnel. A repetibilidade destas medições foi de menos de 3% da média. As temperaturas foram medidas através da superfície de uma folha inflamada de 10 cm x 10 cm x 1,27cm PMMA colocado na saída de um túnel de vento funcionando a ∞ L = 0,79 m / s e 2,06 m / seg. Os procedimentos descritos acima foram usados ​​para capturar as medições de temperatura que foram adimensionalizadas em termos de comprimento normal y * = y / L e temperatura, T * = (T – T w, p / T fl, anúncio – T w, p) , onde Τ W, p e Τ FL, ad representa a parede e temperaturas de chama adiabática, respectivamente, para um determinado combustível, y da posição normal para a superfície de combustível, onde a temperatura é medida e L o comprimento da superfície de combustível. A temperatura adimensional gradientes normal à superfície foram, em seguida, calculado, (∂ T * / ∂ y *) y * = 0 por ajuste de uma polinomial de quinta ordem para as temperaturas não-dimensional e extraindo a inclinação na superfície do combustível, y * = 0. <p class="jove_content" fo: manter-together.within-page = "1"> A Figura 2 (a) mostra estes gradientes de temperatura não-dimensionais ao longo do comprimento da superfície de combustível. Eles são claramente mais alto no bordo de ataque da superfície de combustível, onde a chama é mais próxima da superfície do combustível, e diminuem na direcção da extremidade posterior (X = 100 mm), em que a chama é mais distante da superfície do combustível. Os gradientes de temperatura não-dimensional pode ser utilizada para determinar a taxa de queima de massa local através da aplicação da correlação de 4,6, (8) onde B é o número de transferência de massa do combustível dada, K W a condutividade térmica do ar avaliada à temperatura de parede, c p o calor específico do ar avaliada a uma temperatura de chama adiabática do combustível, e L </ Em> o comprimento da superfície de pirólise do combustível. A taxa de queima de massa local é, em seguida, verificou-se variar de uma maneira similar aos gradientes de temperatura não dimensionais, mostrado na Figura 2 (b). Ao contrário dos combustíveis líquidos, por PMMA a taxa de queima de massa local pode também ser aproximado a posteriori através da medição de regressão superficiais local em intervalos fixos de tempo 2,11. amostras de PMMA foram queimados sob condições representativas para os períodos de tempo a partir de 50 seg e aumentando em intervalos de 50 seg seguido de extinção da amostra. A taxa de fluxo de massa de pirólise para o PMMA é calculado em cada local ao longo da simetria x eixo central utilizando uma aproximação de primeira ordem dada por Pizzo et ai. 11, discutido na literatura outras posições 4-6. Uma densidade média de PMMA, ρ s = 1190 kg / m 3 foi utilizado juntamente com a regressão da superfície de medida ao longo da superfície do combustível parachegar a taxas de perda de massa durante cada intervalo de 50 segundos ao longo do comprimento da amostra de combustível. Apesar de um intervalo de tempo mais curto seria desejável, erros na medição torná-lo tornar-se impraticável quando passos de tempo são menos de 50 seg 5. Para comparar as taxas de perda de massa a partir de locais termopares com aqueles a partir de perfis de regressão, os dados de tempos de neutralização de combustível de 100 e 150 s foram utilizados para comparar as taxas de queima em massa local mostrado na Figura 2 (b). Estes tempos correspondem a aproximadamente a mesma vezes essas medidas foram tomadas. Como pode ser visto na figura, ambos os métodos de medição da taxa de queima de massa local aparecer muito próximos uns dos outros, sugerindo que a metodologia funciona bem para estes tipos de chamas. Para chamas convectivamente dominadas, tais como estes pequenos, laminares, os gradientes de temperatura na superfície do combustível também pode ser usado para extrair confluxos de calor vective como são, na sua essência, directamente relacionada com o gradiente de temperatura na superfície. Usando as taxas de perda de massa medida, componentes de fluxo de calor da chama pode também ser extraído ao longo da zona de pirólise. Usando várias aproximações para o equilíbrio térmico à superfície do combustível, listados na literatura outras posições 2-3, estes componentes pode ser determinado através da superfície de uma laje de queima de PMMA. A Figura 3 mostra este resultado, por uma chama de PMMA estabilizada com um ambiente livre velocidade de -Stream ∞ L = 2,06 m / seg. A técnica pode, portanto, ser extremamente útil na avaliação de várias medidas para descrever a queima de pequenas amostras de combustíveis, que conduz a uma maior compreensão do processo de combustão, em particular a relação entre a fase sólida e gasosa. Figura 1. ExperiênciaSetup al. (a) esquemática da montagem experimental utilizada para medir as taxas de perda de massa e perfis de temperatura ao longo de um-convecção forçada chama de difusão camada limite. (B) a instalação experimental para investigar chamas de difusão camada limite sob fluxo forçado. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 2. Temperatura Gradiente e Resultados queima taxa local. (A) Variação dos gradientes de temperatura não-dimensionais normais ao longo da superfície do combustível para a PMMA camada limite chama de difusão em U ∞ = 0,79 m / seg e 2,06 m / s, respectivamente. (B) Variação das taxas de queima de massa locais para diffusi camada limite PMMAem chamas em diferentes condições de livre-fluxo. As taxas de combustão de massa locais obtidos através de gradientes de temperatura não-dimensional é comparado com os dados experimentais obtidos através da regressão da superfície de PMMA. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura. Figura 3. Aqueça Flux resultados sob forçado Flow. Distribuição dos vários componentes do fluxo de calor da chama na zona de pirólise para uma PMMA camada limite chama de difusão em U ∞ = 2,06 m / seg. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.