乙醇在微尺度单电极燃烧器内的雾化与燃烧

甘云华，佟洋，罗智斌

（华南理工大学电力学院，广东 广州 510640；广东省能源高效清洁利用重点实验室，广东 广州510640）

乙醇在微尺度单电极燃烧器内的雾化与燃烧

甘云华，佟洋，罗智斌

（华南理工大学电力学院，广东 广州 510640；广东省能源高效清洁利用重点实验室，广东 广州510640）

采用荷电喷雾燃烧技术是促进微尺度下液体燃料稳定燃烧的重要方法。使用乙醇为燃料，在新型结构的喷嘴内径为0.8 mm微尺度单电极燃烧器内，进行了荷电雾化与燃烧特性的实验研究。结果表明：荷电雾化会随喷嘴电压升高而出现 4种模式，对应的荷质比在脉动模式下最低，到达锥-射流模式后出现跃升，在锥-射流模式下最为稳定。荷电雾化后的乙醇在燃烧器网格处稳定燃烧，火焰温度随着当量比增大先上升后下降。火焰温度在当量比=1.0时达到最高值，且随电压增大而上升。锥-射流模式下，当量比=1.0时，燃烧效率可达 89%，燃料转换效率可达90%。稳定的雾化模式以及合适的当量比，对燃烧效果具有较大的改善作用。

微尺度；醇；燃料；荷电雾化；燃烧效率；转换效率

引　言

20世纪70年代，微传感器的问世促进了微型机电系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）的发展[1]，微尺度燃烧器作为MEMS的动力装置，有着体积小、能量密度高等特点，是MEMS不可缺少的核心装置之一。

与传统燃烧器相比，微型燃烧器在尺寸大大缩小的同时，也产生了燃料停留时间短、表面积体积比大、热损失大等新的问题[2-3]，国内外许多学者对其进行了研究。Yuliati等[4]设计了液体燃料荷电喷雾燃烧器，研究其喷雾效果并得到了稳定火焰。Kyritsis等[5]设计了多路复式喷雾催化燃烧器，通过对燃烧产物的分析对燃烧器性能进行评价。Mikami 等[6]对双格栅微型燃烧器进行研究，观察了火焰形态并分析了燃料流率对火焰稳定性的影响。张力等[7]对微型燃烧器内甲烷/空气预混催化燃烧情况进行研究，并分析了催化转化效率的影响因素。燃烧效率作为评价燃烧器性能的重要依据，有着很大的研究价值，但现阶段有关液体燃料在微尺度燃烧器中的燃烧效率的研究尚少。Peck等[8]设计制造了液体燃料微型透平，从燃烧效率、热效率及化学效率等方面对燃烧器性能进行分析。万建龙等[9]对微型管道内燃烧特性和热损失进行了研究，分析了燃烧器效率的主要影响因素。

目前，气体燃料微燃烧研究较多[10-18]，与气体燃料相比，液体燃料有着能量密度高、易于运输和储藏等优点[19]，若采用荷电喷雾的方法则会使液体燃料的燃烧稳定性得到进一步提升[20]。本文以乙醇在微尺度单电极荷电喷雾燃烧器内的燃烧性质作为研究对象，实验分析了电极电压、当量比及燃烧器结构对燃烧效率的影响。

1　实验系统

实验系统如图1所示。燃料由注射泵（KDS100）经绝缘软管输入燃烧器，注射泵误差小于 1%；空气通过气瓶经气体流量控制器（Brooks 5850E）输入燃烧器，流量控制器误差小于 1%；喷嘴电极电压由高压电源提供；乙醇在燃烧器内形成喷雾，与空气混合后在网格外侧进行燃烧；火焰温度由直径为0.3 mm的S型热电偶测量，经数据采集仪（安捷伦34970A）将数据导入计算机。经辐射散热修正后，火焰温度测量误差范围为±1.0%。燃烧尾气通过气体取样针采集后，使用GC1690气相色谱仪进行分析；火焰及喷雾图片由Canon EOS 5D Mark Ⅲ相机进行拍摄。

图2为燃烧器结构。其外壳采用内径12 mm，外径16 mm的玻璃管制成，总长度L=80 mm，网格与出口间距 L2=20 mm，喷嘴出口与网格间距L1=23 mm。喷嘴及网格均采用不锈钢制成，喷嘴内径为0.8 mm，外径为1.2 mm，总长100 mm，网格直径12 mm，厚0.4 mm。

喷嘴接通高压电源正极，网格接地极，燃料经过接触式充电，在带电液体的库仑力以及表面张力的作用下，破碎成小液滴，并在电场力的牵引作用下，于喷嘴和网格之间形成喷雾，由网格收集后，采用外热源加热点火方式进行燃烧。

图1　实验系统Fig.1 Experimental system

图2　微型燃烧器结构Fig.2　Sketch of micro-combustor

2　燃烧效率计算

乙醇在燃烧器内的燃烧状况可以通过燃烧效率以及转换效率体现。

从燃料角度进行效率计算，可通过热分析来对燃料的利用率进行评价。对于微型燃烧器，燃烧效率可表征为已燃组分释放的热量与输入燃料理论上最大释放热量之比[21]，其定义为

式中，mf为进入燃烧器的液体燃料质量；hf为入口处燃料的低位热值；分子中求和项为尾气中未完全燃烧燃料的总焓值，通过气相色谱仪分析尾气成分后，计算未完全燃烧燃料剩余总热量得出。

当只有一种燃料时，燃料的转换效率可作为燃烧器性能的评价标准[21]，其定义为

式中，mfuel,in为燃料进口质量；mfuel,out为出口处测得的燃料剩余质量。

实验中尾气成分含有CO、CO2、N2、水蒸气以及乙醇，由于水蒸气及乙醇在室温条件下会液化，无法通过气相色谱仪进行测量，因此利用C、N元素的质量守恒，通过测定 CO、CO2、N2的量计算出剩余乙醇的质量，然后进行燃烧效率及转换效率的计算。

3　实验结果与分析

实验分析包括雾化特性分析以及燃烧特性分析两方面。优良的喷雾质量，可以增大液体燃料和空气的接触面积，是影响燃烧效率、排放性能的重要因素之一。

3.1雾化特性分析

荷电雾化燃烧中，液体燃料雾化效果的优劣会直接影响到燃烧尾气的成分，从而对燃烧效率产生影响。由图3可以看出，对于单电极燃烧器，在一定的乙醇流量（qv=3 ml·h-1）下，随着喷嘴电压（V）的升高，其雾化模式会产生脉动模式[图3（a）]、锥-射流模式[图3（b）]、偏移射流模式[图3（c）]以及多股射流模式[图3（d）]4种模式。其中，脉动模式下的雾化无法产生均匀液滴，同时会伴随周期性的跳跃现象；锥-射流模式可以产生均匀喷雾，且喷雾状态十分稳定；偏移射流及多股射流模式下，喷雾仍较为稳定，由图3（c）、（d）可见，到达锥-射流模式后，若喷嘴电压V继续升高，则喷雾会发生倾斜，到达偏移射流模式，继而发生单股-多股的周期性抖动，最后彻底分裂形成多股射流模式，此时雾化角与射流股数较其他雾化模式已有较大变化，故雾化效果有较大差异。

图3　荷电雾化模式Fig.3 Four electro-spraying modes (qv=3 ml·h-1, V=4.7—6.5 kV)

喷雾的电荷量反映了雾化区的线电荷密度、面电荷密度和体电荷密度等物理量，荷质比更是衡量雾化效果的重要参数之一。实验采用网状目标法对荷质比进行测量[22]，若单位时间内进入收集器的荷电液滴质量为m，放电电压为U，忽略挥发量，则测量时间内的比荷Aq为

式中，I为检测电流；R为检流电阻阻值；ρ为流体密度；t为检测时间；qv为体积流量。

在相同流量下，单位体积的液体携带的电荷越多，液滴之间相互排斥的库仑力越大，会导致液滴破碎更为彻底，雾化效果越好[22]。图4为乙醇在3 ml·h-1流量下荷质比随喷嘴电势 V变化情况。将测量得到的荷质比与实时喷雾情况相对应，可得相应分区。由图可以看出，在起始阶段，荷质比较低，此时观测到的雾化为脉动模式，随着电压的升高，荷质比会出现跃升，而后维持相对稳定，此时对应的雾化模式为锥-射流模式。随后荷质比会随着电压的升高而持续升高，此时喷雾逐渐呈现偏移射流模式以及多股射流模式，并且有随电压继续升高的趋势。

图4　荷质比与喷嘴电势关系Fig.4　Specific charges varying with nozzle potentials

可见，随着喷嘴电压的升高，荷质比大体呈现升高趋势，雾化效果会更好。与雾化模式比对后可知，在脉动区的雾化效果相对较差，到达锥-射流模式后会有阶跃式提升。因此，为了保证良好的雾化效果，应将雾化模式控制在锥-射流模式之后的阶段；若要保持雾化的相对稳定，应将雾化模式保持在锥-射流模式阶段。

3.2燃烧效率分析

图5为当量比Ф=0.9、电压V=5.1 kV时火焰形态，由图可见乙醇在网格出口侧进行稳定燃烧，火焰呈淡蓝色。

图5　火焰图片Fig.5　Flame image

在式（1）中，需要通过燃烧尾气的焓值来确定燃烧效率，因此，图6给出了火焰温度随当量比以及喷嘴电压V的变化曲线。

由图可见，在当量比Ф＜1时，火焰温度随当量比增加呈现上升趋势，这是由于随着当量比增大，供给空气量减少，加热空气以及随尾气排出的热量降低，使温度升高。当量比Ф＞1后，火焰温度呈下降趋势，造成这种现象的原因为此时供给的空气量低于乙醇完全燃烧所需理论空气量，乙醇燃烧放热量降低，造成温度降低。

图7为燃烧效率变化曲线。实验结果表明，在当量比Ф＜1时，燃烧效率变化平稳，维持在相对较高的水平，在当量比Ф＞1后，燃烧效率随当量比增大呈下降趋势。喷嘴电压分别在4.7、5.5、6.5 kV时，燃烧效率会出现升高的趋势，同时不同电压下燃烧效率随当量比变化趋势相近。

图6　火焰温度随当量比及电压变化曲线Fig.6　Flame temperatures varying with equivalent ratios and nozzle potentials

图7　燃烧效率随当量比变化曲线Fig.7　Combustion efficiency varying with equivalent ratios

造成以上现象的原因主要有以下几点。在当量比Ф＜1时，虽然火焰温度呈上升趋势，但此时为富氧燃烧，燃烧产物中CO2所占比例随当量比增加而上升，CO所占比例随当量比增加而下降，使得式（1）中尾气总体焓值保持相对稳定，因此燃烧效率保持相对稳定。当量比Ф＞1时，空气量减少，为富燃料燃烧，此时火焰温度下降，同时燃烧尾气中CO及乙醇含量升高，导致尾气总焓值急剧上升，燃烧效率出现下降。

喷嘴电压V增大时，燃烧效率上升，对比图3可知，当V=4.7 kV时，喷雾处于脉动区，V=5.5 kV时，喷雾处于锥-射流区，V=6.5 kV时，喷雾处于多股射流区。由前文分析可知，不同的雾化模式会有不同的雾化效果，在脉动模式下，喷雾效果较差，导致燃烧不够稳定，因此燃烧效率较低。电压增大后，在V=5.5 kV时已经进入锥-射流模式，此时雾化效果有明显改善，乙醇燃烧时其液滴表面与空气接触更加充分，使得燃烧效率上升。电压增大至6.5 kV时，喷雾处于多股射流区，单股锥-射流变为多股均匀射流，雾化效果下降，燃烧器内壁出现“湿壁”现象，但由于此时燃烧器壁面温度远高于乙醇沸点，并且乙醇有较好的挥发性，导致燃烧产物中未完全燃烧成分变化不大，燃烧火焰温度持续升高，从而使燃烧效率持续提升。

3.3转换效率分析

燃料转换效率可从燃料消耗角度对燃烧效果进行评价[21]。图8为乙醇转换效率随当量比变化情况，转换效率随着当量比的增加，呈现先稳定后下降的趋势，其变化规律与燃烧效率变化规律相似。对比图7、图8可见，当量比Ф＜1时，转换效率变化趋势更为稳定，这是由于在该阶段燃烧时，尾气中CO含量随空气量增大变化明显，但未燃的乙醇含量并未有明显变化，造成转换效率波动较小。同时，整体上转换效率数值较燃烧效率数值高。由式（1）与式（2）对比可知，燃烧效率在计算时，分子项包含未燃尽乙醇和未完全燃烧产物的热量，而转换效率公式中仅考虑出口处未燃乙醇量，因此转换效率曲线略高。

图8　转换效率随当量比变化曲线Fig.8　Conversion efficiency varying with equivalent ratios

4　结　论

本文设计了新型结构的单电极荷电喷雾燃烧器，实验研究了不同电压下的雾化模式变化情况，探讨了乙醇燃烧效率、转换效率随当量比Ф、喷嘴电压V的变化情况，主要结论如下。

（1）相同乙醇流量下，随着喷嘴电压的升高会出现多种雾化模式，为保持良好的雾化效果，应避免脉动模式，在几种模式中锥-射流模式最为稳定。

（2）燃烧器中乙醇燃烧效率在当量比Ф=1时最高，当量比Ф＞1后出现明显下降。喷嘴电压升高会使雾化效果改善，燃烧效率提升。

（3）乙醇转换效率在当量比 Ф＜1时保持平稳，在当量比Ф＞1时出现下降，同时随电压升高转换效率提升，相同工况下转换效率较燃烧效率略高。

（4）乙醇喷雾燃烧应避免在脉动模式下进行，通过改善雾化效果会使燃烧效率、转换效率得到提升，稳定性增强。

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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。

联系人及第一作者：甘云华（1979—），男，教授。

国家自然科学基金项目（51376066）；中央高校基本科研业务费资助项目（D2154080）。