Metodología experimental para la estimación de los flujos de calor local y de la quema Tarifas en Steady laminar límite de una capa de difusión de las llamas

Los experimentos se han realizado tanto en una configuración vertical y una instalación de túnel de viento horizontal único en la Universidad de Maryland, que se muestra en la Figura 1. En lugar de un tirón tradicional o túnel de viento de retorno cerrado, la instalación de túnel de viento de la Universidad de Maryland utiliza una variable ventilador de velocidad para presurizar un 100 x 75 x 100 cm plenum que impulsa el flujo de aire hacia fuera de un conducto en el extremo opuesto. Esta configuración permite a los experimentos de combustión continua que no se recircula el humo, el túnel de viento no está dañado o influenciados por el fuego y los termopares son capaces de moverse libremente a través de la sección de muestreo. El conducto de salida consiste en un 122 cm, sección convergente 30,5 cm de ancho conectado a la cámara de sobrepresión. Para enderezar el flujo y reducir la intensidad de turbulencia entrante, pantallas de malla fina se colocan en la entrada y salida de la sección convergente y un panal de 5 cm de espesor con agujeros de 0,3 cm es110 cm colocado aguas arriba de la salida del túnel. La velocidad del flujo que sale del túnel de viento se controla variando la velocidad del ventilador con un ancho de modulación de pulso (PWM) muestras de controlador y de combustible se colocan en la salida del túnel, donde las velocidades de flujo se han comprobado a través de la utilización de un anemómetro de hilo caliente. muestras de combustible a la salida del túnel de viento se colocaron en la parte superior de una célula de carga que mide continuamente la pérdida de masa de la muestra con el tiempo. Para evitar perturbaciones en el viento para la célula de carga, la muestra fue elevado en una hoja de aluminio (30,5 x 61,0 cm x 1,5 mm de espesor) por dos soportes en U y rodeado de 1,27 cm de espesor del tablero aislante de fibra cerámica para asegurar una superficie lisa alrededor de la muestra de ardor. La superficie superior de la placa se recubrió con una pintura de color negro mate de alta temperatura con una emisividad de aproximadamente 98% para asegurar un buen telón de fondo para la observación visual de la llama y para sellar el aislamientoque también contiene aglutinantes orgánicos. Debido a que el panel de aislamiento presenta un cuerpo relativamente roma para el flujo de entrada, la colocación de la configuración de la muestra directamente en la salida del túnel de viento resultó en la separación de flujo y la turbulencia significativa observada en llamas. El trabajo previo de Ha et al. Encontró que la fijación de una placa de extensión a la sección inicial de la muestra de combustible impidió la separación de flujo y se aseguró un perfil de flujo laminar de entrada a la muestra. A 10 cm de ancho, 40,6 cm de largo y delgado, el labio de metal era, por tanto, montado desde el borde de ataque de la muestra a la salida del túnel de viento, proporcionando una llama de difusión laminar final se llegó a coincidir con la teoría 7 existente. En combustibles líquidos de prueba se necesitaba una mecha porosa no combustible. Un 10 cm x 10 cm x 1,27 cm de espesor de chapa de silicato alcalino lana tierra fue seleccionado para los experimentos de flujo forzado debido a su alta porosidad y baja conductividad térmica. en Order para evitar fugas de combustible a partir de la muestra, se utilizó pegamento silicato de sodio para aplicar papel de aluminio para todo salvo la cara frontal. La muestra también se "cuece" para eliminar los aglutinantes orgánicos haciendo pasar un soplete sobre la muestra durante aproximadamente 20 minutos, momento en el que la llama cambia de amarillo a azul (que indica la eliminación de carpetas de la muestra). Durante las pruebas, mechas se empaparon con aproximadamente 120 ml de combustible líquido (etanol o metanol), que se encontró que el punto de saturación para los 10 cm de ancho mechas. La velocidad de combustión de la masa de combustible se determinó midiendo la pérdida de masa de la muestra con el tiempo durante la combustión a una velocidad de 1 Hz. La configuración de la muestra fue apoyado sobre un balance de masas de precisión con una capacidad máxima de 32,2 kg y una resolución de 0,1 g, lo suficientemente fina para medir esta tasa de pérdida de masa con alta precisión. Después de la ignición de la muestra por un soplete, la tasa de pérdida de masa de la condensed combustible aumenta como una función del tiempo, hasta alcanzar una velocidad constante que finalmente se desvanece hacia el final de la prueba como el combustible se quema. Esta región "constante", donde la evaporación del combustible en lugar de difusión a través de la mecha domina quema, es la región de interés, donde se toman muestras de datos. Para una mecha líquido, se encontró que las muestras para quemar con una tasa de pérdida de masa constante por aproximadamente 400 seg, aproximadamente la mitad del 80% de una prueba. Todas las velocidades de combustión presentados son medias de al menos seis pruebas repetidas, en condiciones especiales, cuando se comprobó la repetibilidad de las mediciones para estar dentro de 1,2% de la media. Para el ensayo de una muestra de combustible sólido, se seleccionó el polimetacrilato de metilo (PMMA) como se quema relativamente constante y no lo hace carbón. Con el fin de encender la muestra, un soplete se hizo pasar sobre la superficie de la muestra de 50 a 60 seg, momento en el cual se encendió uniformemente toda la superficie. Porque elmuestra de combustible era pequeña y los resultados experimentales han encontrado ser muy repetible, el método se considera suficiente para la ignición. A diferencia de los combustibles líquidos se impregnan en una mecha no combustible, combustibles sólidos regresión como una función del tiempo y son por lo tanto nunca verdad lograr un régimen estable. En lugar de ello, se eligieron los primeros tiempos de la quema a muestrear donde el combustible se mantuvo relativamente plana, determinado experimentalmente que ocurra durante los primeros 150 segundos después del encendido. Para ambos combustibles líquidos y sólidos, temperaturas por encima de la superficie del combustible fueron asignadas en la fase gaseosa utilizando termopares de hilo fino. Para PMMA, las temperaturas se tomaron muestras a los 6 puntos por encima de la superficie a partir de la capa de fundido en la fase de gas a intervalos de 0,25 mm (para las pruebas de convección forzada). Para combustibles líquidos, estas mediciones se llevaron a cabo de la capa delgada de combustible en la superficie a 6 puntos con la misma resolución. Estos perfiles se tomaron en 12 localidades colong la longitud de la superficie del combustible, dentro de 400 segundos de ignición para muestras líquidas y dentro de 150 segundos para PMMA. Las mediciones de temperatura antes mencionados se llevaron a cabo utilizando de tipo R Pt / Pt-13% Rh termopares Micro (soldada por puntos) con dos diámetros de alambre, 50 micras (0,002 pulgadas) a 75 mm (0,003 pulgadas) que tienen diámetros del grano de aproximadamente 100 micras y 150 m, respectivamente. El tamaño de los termopares se elige de manera que el termopar era tan pequeña como sea posible sin recurrir rotura (para minimizar correcciones radiación necesaria), sin embargo algunas correcciones de radiación eran todavía necesario. El uso de dos termopares de diferentes diámetros se eligieron con el fin de determinar mejor una corrección de radiación correspondiente (descrito más adelante). termopares micro fueron luego atravesaron el uso de un conjunto de unislides XY controladas por ordenador con una resolución espacial máxima de 1,5 micras. Las señales de voltaje fueron luego se ACQpedirá otra, acondicionado y digitalizada a través de un módulo de adquisición de datos nominal de hasta 0,02 ° C sensibilidad de medición. software LabVIEW se utiliza para sincronizar el movimiento de ambas las 50 micras y 75 micras termopares alambre de diámetro con medición de la temperatura sobre la muestra. Con el fin de determinar una corrección de radiación relativamente precisa, los dos tamaños de termopar descritas se desplazan sobre el mismo lugar durante las pruebas repetidas. La correlación de Collis y Williams se aplicó para pérdidas de calor de la muestra 5-6,8, (1) donde Nu es el número de Nusselt y Re = Ud w / v es el número de Reynolds, que se obtuvo por 0,02 <Re <44, con propiedades evaluadasa la temperatura de la película, Τ m, un promedio del gas, Τ g, y termopar, T se temperaturas tc. Aquí, el número de Reynolds Re se define como se indica para la velocidad de flujo de gas local U y la viscosidad cinemática v. D w en la ecuación. (1) representa el diámetro del alambre del termopar. Para las mediciones de estado estable, como en el caso descrito aquí, un balance de energía en la unión de termopar se reduce a un balance de calor convectivo-radiativo (despreciando los errores debido a la conducción y los efectos catalíticos), dada por (2) 60; (3) donde Τ g es la temperatura del gas real, Τ tc es la unión de termopar (o talón) de la temperatura, Τ surr es la temperatura de los alrededores, tc ε es la emisividad de la unión de termopar, σ es el Stefan-Boltzmann constante y h es el coeficiente de transferencia de calor por convección del flujo sobre la unión de termopar define como h = k Nu / d. k es la conductividad térmica del gas, Nu es el número de Nusselt, y d es el diámetro del alambre del termopar. La elección de la correlación número de Nusselt es de suma importancia en el cálculo de una corrección de radiación a la temperatura de termopar medida porque, como se muestra en la Ec. (3), la corrección de radiación es inversamente proporcional al número de Nusselt. Esta elección es complicada, sin embargo, debido a la EXI stence de múltiples correlaciones número de Nusselt "apropiadas" y la dificultad en la estimación de las propiedades de la mezcla de gas que rodea el termopar, en particular su conductividad térmica. El grueso de la evidencia en la literatura, sin embargo, indica claramente que una correlación número de Nusselt cilíndrica es la más apropiada para la descripción de la transferencia de calor por convección a casi todos los termopares prácticos 5-6, preferentemente la de Collis y Williams 8. La correlación número de Nusselt debe ser sustituido en un equilibrio convectivo-radiativo estado estacionario (ecuación 3) y descuidando pequeña dependencia de la temperatura, se forman un sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas (es decir, Τ G y U), (4) t "fo: keep-together.within-page =" 1 "> y (5) Las ecuaciones (4) y (5) debe ser resuelto de forma iterativa juntos en cada punto, ya que las conductividades de la fase gas y viscosidades cinemáticas son a la vez una función de la temperatura. La temperatura del grano debe ser usado como la primera iteración de la temperatura del gas para evaluar la conductividad térmica y la viscosidad cinemática, con el valor iterativo re-tomado hasta errores bajas se abordan. Al resolver las ecuaciones, parece que la corrección de radiación (es decir, la diferencia entre la lectura del termopar y la temperatura real) aumenta para los termopares de mayor diámetro y se reduce con el aumento de las velocidades de flujo a través de la perla. D w 1 y d w 2 en las ecuaciones . (4) y (5) representanteresentir los diámetros de alambre termopar utilizado en nuestro estudio. La emisividad de la perla (ε tc) también se puede encontrar como una función de la temperatura usando un método descrito por Jakob 9. En su análisis, Jakob resuelve ecuaciones de onda de Maxwell para el complejo de índices de refracción sobre una superficie metálica como una función de su resistividad eléctrica. Un supuesto se toma en el límite de baja resistividad y grandes índices de refracción, lo que es válido para los metales, produciendo una correlación simple para la emisividad total hemisférica de platino (Pt) como, (6) donde, para el platino, r e r e ≈, 273 T / 273, con T en K y r e, 273 <em> = 11×10 -6 Ω-cm. Por lo tanto, la emisividad de platino se convierte en 5-6 (7) para 0 <T <2330 K. La emisividad de la cabeza del termopar o unión, tal como aparece en las ecuaciones. (4) y (5) por lo tanto se puede evaluar mediante el uso de la expresión anterior. Una iteración no es necesario para las Ecs. (6) y (7), porque el valor real de la temperatura del grano se conoce, sólo la temperatura del gas y la velocidad en las Ecs. (4) y (5) necesita ser resuelto de forma iterativa. Durante los experimentos, dos termopares se desplazan exactamente a los mismos puntos de medición y los datos se tomaron muestras para tener en cuenta la corrección de radiación en las mediciones de temperatura. Las correcciones aplicadas como resultado of iteración a las ecuaciones. (4) y (5) eran pequeñas, por ejemplo, sólo 79 K para el termopar de alambre de diámetro 50 micras, con 1.700 K y menos de 5 K cerca de la superficie de combustible 6. Dado que los termopares también zonas de cruce de alta temperatura gradientes consideración de pérdidas de conducción a través del cable también debe tenerse en cuenta, sin embargo, debido a las pequeñas áreas de las secciones transversales de los cables del termopar, estos errores se calcularon en <1%, por lo tanto, no hay correcciones eran necesarias 5-6. Con la superficie del combustible situado en el centro de la corriente de aire a la salida del túnel de viento, se proporcionó un fácil acceso a la superficie del combustible para el termopar micro y mediciones anemómetro de hilo caliente. Durante los recorridos de flujo en frío del túnel de viento (sin combustión) la velocidad de corriente libre, U ∞ del túnel de viento fue calibrado usando un anemómetro de hilo caliente, que muestrea a una velocidad de 50.000 muestras / seg para un total de duration de 10 segundos por punto. El perfil de velocidad a lo largo de la salida de todo el túnel fue tomada, revelando que un tapón consistente flujo que emana del centro de la salida del túnel. Con ello se espera para un canal cuadrado, como la salida de nuestro túnel de viento. Mediciones anteriores de Sforza et al. 10 demostraron que la longitud del núcleo potencial de un chorro de cuadrados con el número de Reynolds Re d entre 2,6 y 8,8 x 10 4 debe ser de aproximadamente 5 d aguas abajo de la salida, donde d es la altura del canal. Para d = 30,48 cm, la anchura de la salida del túnel de viento, Re d es de entre 1,5 x 10 4 y 3,9 x 10 4 significado la muestra se mantiene dentro de 1 d (20 cm) de la salida del túnel. La repetibilidad de estas mediciones era menos de 3% de la media. Las temperaturas se midieron sobre la superficie de una hoja encendida de 10 cm x 10 cm x 1,27cm PMMA coloca en la salida de un túnel de viento que funciona a T = ∞ 0,79 m / sec y 2,06 m / seg. Los procedimientos descritos anteriormente se utilizaron para capturar mediciones de temperatura que fueron adimensionales en términos de longitud y normales * = Y / L, la temperatura, T * = (T – T w, p / T fl ad – T w, p) , donde Τ w, p y fl Τ, ad representan la pared y temperaturas de llama adiabática, respectivamente para un combustible dado, y la posición normal a la superficie de combustible donde se mide la temperatura y L la longitud de la superficie del combustible. La temperatura no dimensional gradientes normal a la superficie a continuación, se calcularon, (∂ T * / ∂ y *) y * = 0 mediante el ajuste de un polinomio de quinto orden a las temperaturas no dimensionales y la extracción de la pendiente en la superficie del combustible, y * = 0. <p class="jove_content" fo: keep-together.within-page = "1"> Figura 2 (a) muestra estos gradientes de temperatura no dimensionales a lo largo de la longitud de la superficie del combustible. Son claramente más alta en el borde delantero de la superficie del combustible, donde la llama es más cercana a la superficie del combustible, y disminuyen hacia el borde de salida (x = 100 mm), donde la llama está más lejos de la superficie del combustible. Los gradientes de temperatura no dimensionales pueden ser utilizados para determinar la tasa de masa-ardor local mediante la aplicación de la correlación 4,6, (8) donde B es el número de transferencia de masa del combustible dado, k w la conductividad térmica del aire evaluada en la temperatura de la pared, c p el calor específico del aire evaluado a una temperatura adiabática de la llama del combustible, y L </ Em> la longitud de la superficie del combustible de pirólisis. Se encuentra entonces la tasa de masa quema local para variar de una manera similar a los gradientes de temperatura no dimensionales, se muestra en la Figura 2 (b). A diferencia de los combustibles líquidos, de PMMA la tasa de quema de masa local puede también ser aproximado a posteriori mediante la medición de regresión superficial local durante intervalos de tiempo fijos 2,11. muestras de PMMA fueron quemados en condiciones representativas por periodos de tiempo que van desde los 50 segundos y aumentando a intervalos de 50 seg, seguido por la extinción de la muestra. El caudal másico de pirólisis de PMMA se calcula en cada ubicación x a lo largo del eje de simetría central utilizando una aproximación de primer orden dada por Pizzo et al. 11, discutido en la literatura en otras partes 4-6. Una densidad media de PMMA, ρ s = 1.190 kg / m 3 se utilizó junto con la regresión de superficie medida a lo largo de la superficie del combustible allegar a tasas de pérdida de masa durante cada intervalo de 50 segundos a lo largo de la longitud de la muestra de combustible. Aunque un paso de tiempo más corto sería deseable, los errores en la medición hacen que se convierte poco práctica cuando los pasos de tiempo son de menos de 50 seg 5. Para comparar las tasas de pérdida de masa de los termopares locales con los de los perfiles de regresión, los datos de tiempos de agotamiento de combustible de 100 y 150 seg se utilizaron para comparar las velocidades de combustión de masas locales que se muestran en la Figura 2 (b). Estos tiempos corresponden a aproximadamente los mismos tiempos se tomaron estas mediciones. Como puede verse en la figura, los dos métodos de medición de la velocidad de combustión de masas locales aparecen muy cerca uno del otro, lo que sugiere la metodología funciona bien para estos tipos de llamas. Para llamas convección dominados como estos pequeños queridos, laminares, los gradientes de temperatura en la superficie del combustible también se pueden utilizar para extraer conflujos de calor convectivas, ya que son, en esencia, directamente relacionados con el gradiente de temperatura en la superficie. Utilizando las tasas de pérdida de masa medidos, los componentes de flujo de calor de la llama también pueden ser extraídos a lo largo de la zona de pirólisis. El uso de varios aproximaciones al equilibrio térmico a la superficie del combustible, que se enumeran en la literatura otras partes 2-3, estos componentes se pueden determinar sobre la superficie de una losa de la quema de PMMA. La figura 3 muestra este resultado, para una llama PMMA estabilizado con un ambiente libre de -stream velocidad de U ∞ = 2,06 m / seg. Por tanto, la técnica puede ser extremadamente útil en la evaluación de una serie de medidas para describir la quema de pequeñas muestras de combustibles, lo que lleva a una mayor comprensión del proceso de combustión, en particular la relación entre la fase sólida y gas. Figura 1. ExperimentoConfiguración al. (a) esquemático del montaje experimental utilizado para medir las tasas de pérdida de masa y perfiles de temperatura a través de una convección forzada llama de difusión de la capa límite. (B) Montaje experimental para la investigación de las llamas de difusión en la capa limite bajo flujo forzado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 2. Temperatura del gradiente y la velocidad de combustión Resultados locales. (A) Variación de los gradientes de temperatura no dimensionales normales a lo largo de la superficie del combustible para una capa límite llama de difusión PMMA en U ∞ = 0,79 m / sec y 2,06 m / seg, respectivamente. (B) Variación de los tipos de masas de quema de locales para Diffusi PMMA capa límiteen llamas en diferentes condiciones de libre flujo. Las velocidades de combustión de masas locales obtenidos a través de los gradientes de temperatura no dimensionales se comparan con los datos experimentales obtenidos a través de la regresión de la superficie de PMMA. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. Figura 3. Flujo de calor Resultados bajo flujo forzado. Distribución de los diversos componentes de flujo de calor de la llama en la zona de pirólisis para una capa límite llama de difusión de PMMA en la U ∞ = 2,06 m / seg. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.