多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法
2023-05-06 18:50:31
專利名稱：多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法
技術領域：
本發明涉及多孔介質材料技術領域，尤其涉及一種多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法。
背景技術：
多孔介質材料特有的結構特徵，如孔穴的結構、形狀、尺寸大小等直接決定了多孔介質材料的表徵參數和性能。多孔介質材料的孔隙率、孔密度、比表面積、通透性、導熱係數等參數會對氣體的內部流動、氣體與固體骨架之間的對流換熱、固體內部的導熱與輻射傳熱特性產生決定性的影響，進而影響可燃氣體在多孔介質內的燃燒特性。這也是導致多孔介質材料內的燃燒不同於其它燃燒方式的根本所在。因此，多孔介質燃燒器的製造材料對燃燒器的工作性能有著重要的影響。在設計和製造多孔介質燃燒器時，需要掌握製造燃燒器所用的多孔介質材料的平均孔徑。平均孔徑是多孔介質材料的重要參數，對多孔介質材料的透過性、滲透率、過濾性等其它一系列性質均具有顯著影響，因此其準確測量對設計和製造多孔介質燃燒器具有十分重要的意義。但多孔介質材料中孔的結構非常複雜，孔隙形狀和尺寸具有較大的差異，再加上多孔介質種類的多樣性和結構複雜性，使得對平均孔徑的計算和測量難以統一。目前的一般做法大多局限於實驗方法，針對某種材料或者某種具體規格，得出其平均孔徑的經驗關係式。由於所選用材料的差異以及實驗方法的不同，該做法得出的結果差別很大。在面對多種類、具有不同結構的多孔介質材料時，缺乏通用性。
發明內容
基於此，本發明提供了一種多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法。一種多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法，包括以下步驟根據多孔介質材料的流量密度、單位長度壓降、孔隙率和多孔介質材料內流體的動力粘性係數，得出多孔介質材料的平均孔徑的計算公式；根據所述計算公式，計算多孔介質燃燒器的各個候選製造材料的平均孔徑；根據計算結果，按照預設篩選條件對所述各個候選製造材料進行篩選。與一般技術相比，本發明多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法，根據多孔介質材料的流量密度、單位長度壓降、孔隙率和多孔介質材料內流體的動力粘性係數，得出了用於計算多孔介質材料的平均孔徑的通用公式，可以對不同種類、不同結構的多孔介質材料實現統一計算，而不必針對不同材料分別進行實驗以得出具體的擬合公式。通過快速計算各個候選製造材料的平均孔徑，大大降低了製造多孔介質燃燒器前對候選材料進行篩選的複雜工序，提高了效率。
圖I是本發明多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法的流程示意圖。
具體實施例方式為更進一步闡述本發明所採取的技術手段及取得的效果，下面結合附圖及較佳實施例，對本發明的技術方案，進行清楚和完整的描述。請參閱圖1，為本發明多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法的流程示意圖。本發明多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法包括以下步驟SlOl根據多孔介質材料的流量密度、單位長度壓降、孔隙率和多孔介質材料內流體的動力粘性係數，得出多孔介質材料的平均孔徑的計算公式；作為其中一個實施例，可將多孔介質材料的孔道按照圓形毛細管處理，得出以下多孔介質材料的平均孔徑的計算公式
, 132 juLOd = J 77-
]j εΑΑρ其中，μ為多孔介質材料內流體的動力粘性係數，L為所述圓形毛細管的長度，也即多孔介質材料厚度，Q為多孔介質材料內流體的容積流率，ε為多孔介質材料的孔隙率，A為多孔介質材料床層沿流體流動方向的橫截面積，Λρ為流體的流動壓力降，且L/·Ap為多孔介質材料的單位長度壓降的倒數，Q/A為多孔介質材料的流量密度。採用透過法測量多孔介質材料的平均孔徑。將多孔材料的孔道視為正直的圓形毛細管，氣體在較低的流速下通過時，根據哈根-泊蕭葉(Hagen-Poiseuille)公式有
d2 ApUn ----—
H μ L其中，UmS毛細管內平均流速，d為毛細孔直徑，Λρ為毛細管兩端壓差，μ為流體的動力粘性係數，L為毛細管長度(即多孔體的厚度)。將上面公式寫成通過毛細管流量的形式得Q' = ^sp ^ !28///.若在多孔體界面A上有N根毛細管，則總流量為Q = Mir = ^f
128///.若多孔體的孔隙率為ε，在截面A上的孔隙所佔面積為εΑ，則有
Γ Sr4sAN = ~γ
Ttti帶入上式整理可得
「 SAd1^pQ =
3 2,"人整理得d = 132^^
% εΑΛρ理論上該式還應該乘上一個流道彎曲修正係數，但考慮到泡沫陶瓷孔隙較大，氣流通過時彎曲度很小，故不作修正。
在應用此公式計算孔徑時，必須滿足流速相當低的條件，屬於Darcy流，此時單位長度壓降ΛΡ/L和流量密度Q/A成直線關係，斜率恆定。通過實驗數據，在坐標圖上可以容易地確定直線段，選擇壓降對應的流量，可以由上式計算出平均直徑d。在大多數情況下，流體通過多孔體的流動通常涉及三種主要機理，它們是黏性流動、慣性流動和滑移流動。假設多孔材料的孔貫通連續，當孔隙尺寸D比流體的平均分子自由程λ大得多時，SP O 2 =———7
■sj Imd式中η和d分別為單位體積氣體中的氣體分子數和氣體分子直徑，流體流動為粘性流。在低流速下，流體通過多孔體時普遍遵守達西(Darcy)經驗定律,其表達式為Q = — A -γ-
μ L式中Q為牛頓流體以很低的速度滲流通過多孔體的容積流率；Α為多孔體床層沿流動方向的橫截面積；L為多孔體床層厚度；μ為流體動力粘性係數；Ap為流動壓力降；Κ為滲透係數或粘性透過係數。還可以寫成
Γ N.) μ— = —ζ/
人 K式中u為截面平均流速，其它符號同前。當流體在較高的壓力和流速下通過多孔材料時，孔道中將出現局部紊流。局部的紊流以及流體通過曲折孔道流動時方向的變化都會引起能量損失，此時壓差與流量不再是線性關係，達西經驗定律也不再適用，偏離的大小正比於流速的平方。為此佛切邁爾(Forchheimer)把達西公式修正為
Np μ , P ,— =
L k, k、式中kl為Darcian滲透率，k2為非Darcian滲透率,其它符號意義同前。在孔隙尺寸極小，氣體在低壓或高溫情況下，孔隙尺寸比流體的平均分子自由程大得多的假設失效。當氣體分子平均自由程與多孔固體的孔隙尺寸同數量級時，發生滑移流動。孔隙直徑在毫米量級，一般不會發生滑移流動。從上面兩個公式可以看出，要知道多孔體的壓降，需要知道多孔體的滲透率。一般是通過實驗的方法獲得。作為其中一個實施例，採用解析度為IPa的微壓計測量不同孔眼密度的氧化鋁泡沫陶瓷的透過性能。可以看出，在低流速下，流體流過泡沫陶瓷時，單位厚度的壓降和流速呈線性增長，完全符合Darcy滲流定律；隨著流速的進一步增加，單位厚度的壓降和流速不再是線性關係，而是加速上升。對10PPI、20PPI、30PPI和40PPI泡沫陶瓷，由實驗數據擬合的壓降和流速之間的關係方程分別如下式所示10PPI 玍=244"+ 492"2
L20PPI 生=552"+1352."2
L
權利要求
1.一種多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法，其特徵在於，包括以下步驟 根據多孔介質材料的流量密度、單位長度壓降、孔隙率和多孔介質材料內流體的動力粘性係數，得出多孔介質材料的平均孔徑的計算公式； 根據所述計算公式，計算多孔介質燃燒器的各個候選製造材料的平均孔徑； 根據計算結果，按照預設篩選條件對所述各個候選製造材料進行篩選。
2.根據權利要求I所述的多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法，其特徵在於，所述得出多孔介質材料的平均孔徑的計算公式的步驟，包括以下步驟 將多孔介質材料的孔道按照圓形毛細管處理，得出以下多孔介質材料的平均孔徑的計算公式 d= pZe \ sAAp 其中，ii為多孔介質材料內流體的動力粘性係數，L為所述圓形毛細管的長度，也即多孔介質材料厚度，Q為多孔介質材料內流體的容積流率，e為多孔介質材料的孔隙率，A為多孔介質材料床層沿流體流動方向的橫截面積，Ap為流體的流動壓力降，且L/Ap為多孔介質材料的單位長度壓降的倒數，Q/A為多孔介質材料的流量密度。
3.根據權利要求I所述的多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法，其特徵在於，在所述對所述各個候選製造材料進行篩選的步驟之後，包括以下步驟 利用篩選出的滿足所述預設篩選條件的候選製造材料，製造多孔介質燃燒器。
全文摘要
本發明公開了一種多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法，包括根據多孔介質材料的流量密度、單位長度壓降、孔隙率和多孔介質材料內流體的動力粘性係數，得出多孔介質材料的平均孔徑的計算公式；根據所述計算公式，計算多孔介質燃燒器的各個候選製造材料的平均孔徑；根據計算結果，按照預設篩選條件對所述各個候選製造材料進行篩選。本發明多孔介質燃燒器製造材料的篩選方法，根據多孔介質材料的流量密度、單位長度壓降、孔隙率和多孔介質材料內流體的動力粘性係數，得出了用於計算多孔介質材料的平均孔徑的通用公式，通過快速計算各個候選製造材料的平均孔徑，大大降低了製造多孔介質燃燒器前對候選材料進行篩選的複雜工序，提高了效率。
文檔編號F23D14/46GK102734799SQ20121024390
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月13日 優先權日2012年7月13日
發明者李德波 申請人:廣東電網公司電力科學研究院