Микросжигание
Микросгорание — это последовательность экзотермической химической реакции между топливом и окислителем, сопровождающаяся выделением тепла и преобразованием химических веществ на микроуровне . Выделение тепла может привести к образованию света в виде свечения или пламени . Представляющие интерес виды топлива часто включают органические соединения (особенно углеводороды ) в газовой, жидкой или твердой фазе. Основной проблемой микрогорения является высокое соотношение поверхности к объему . По мере отношения поверхности к объему увеличения увеличиваются теплопотери на стенки камеры сгорания, что приводит к пламени тушению .
Разработка миниатюрных продуктов, таких как микророботы , ноутбуки , микролетающие аппараты и другие небольшие устройства, становится все более важной в нашей повседневной жизни. Растет интерес к разработке небольших камер сгорания для питания этих микроустройств из-за присущих им преимуществ более высокой плотности энергии , более высоких коэффициентов тепло- и массообмена и более короткого времени перезарядки по сравнению с электрохимическими батареями . [1] [2] Плотность энергии углеводородного топлива в 20-50 раз выше, чем у самых передовых электрохимических батарей на основе литий-ионной концепции. Идея микротеплового двигателя была предложена Эпштейном и Сентурией в 1997 году. [3] С тех пор был проделан значительный объем работы по разработке и применению таких небольших устройств для выработки электроэнергии путем сжигания углеводородного топлива. Микрокамеры сгорания являются привлекательной альтернативой батареям , поскольку они имеют большое соотношение площади поверхности к объему, благодаря чему значительное количество тепла передается через стенки, что приводит к гашению пламени . [4] Однако повышенная скорость теплопередачи через твердые стенки является преимуществом в случае паровых риформеров, используемых для производства водорода . [5]
Б. Хандельвал и др. экспериментально исследовали пределы устойчивости пламени и другие характеристики двухступенчатой микрокамеры сгорания. [6] Они обнаружили, что ступенчатая камера сгорания приводит к более высоким пределам стабильности пламени, а также обеспечивает более высокие температурные профили, которые будут полезны при использовании тепла, выделяемого при сгорании. Марута и др. экспериментально исследованы характеристики распространения пламени предварительно смешанных метановоздушных с смесей в прямом кварцевом канале диаметром 2,0 мм положительным градиентом температуры стенки вдоль направления потока. [7] Это была простая одномерная конфигурация для изучения характеристик стабилизации пламени в микроканалах. Другие исследователи изучали поведение стабилизации пламени и характеристики сгорания в швейцарской валковой камере сгорания. [8] микрогазотурбинные двигатели, [9] микротермофотоэлектрическая система, [10] двигатель со свободной поршневой детонацией, [11] микротрубчатая камера сгорания, [12] радиально-канальные камеры сгорания, [13] и в различных других типах микрокамер сгорания. [14] [15]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Куо, Швейцария; Ронни, PD (январь 2007 г.). «Численное моделирование адиабатических рециркуляционных камер сгорания». Труды Института горения . 32 (2): 3277–3284. дои : 10.1016/j.proci.2006.08.082 .
- ^ Ким, Нам Иль; Като, Соитиро; Катаока, Такуя; Ёкомори, Такеши; Маруяма, Сигенао; Фухимори, Тосиро; Марута, Каору (май 2005 г.). «Стабилизация пламени и выбросы небольших камер сгорания с швейцарскими валками в качестве нагревателей». Горение и пламя . 141 (3): 229–240. doi : 10.1016/j.combustflame.2005.01.006 .
- ^ Эпштейн, А.Х.; Сентурия, SD (23 мая 1997 г.). «Макроэнергетика из микротехники». Наука . 276 (5316): 1211. doi : 10.1126/science.276.5316.1211 . S2CID 110839795 .
- ^ Фернандес-Пелло, А. Карлос (2002). «Выработка микроэнергии с использованием сжигания: проблемы и подходы» (PDF) . Труды Института горения . 29 (1): 883–899. дои : 10.1016/S1540-7489(02)80113-4 .
- ^ Паттекар, А.В.; Котаре, М.В. (февраль 2004 г.). «Микрореактор для производства водорода в микротопливных элементах». Журнал микроэлектромеханических систем . 13 (1): 7–18. дои : 10.1109/JMEMS.2004.823224 . S2CID 19243473 .
- ^ Хандельвал, Бхупендра; Сахота, Гур Партап Сингх; Кумар, Сударшан (27 августа 2010 г.). «Исследование пределов устойчивости пламени в микрокамере сгорания с обратной ступенькой и предварительно смешанными метановоздушными смесями». Журнал микромеханики и микроинженерии . 20 (9): 095030. doi : 10.1088/0960-1317/20/9/095030 .
- ^ Марута, К.; Катаока, Т.; Ким, Нью-Йорк; Минаев С.; Фурсенко Р. (январь 2005 г.). «Особенности горения в узком канале с градиентом температуры». Труды Института горения . 30 (2): 2429–2436. дои : 10.1016/j.proci.2004.08.245 .
- ^ Вайнберг, Феликс (сентябрь 2004 г.). «Оптимизация систем сгорания с рециркуляцией тепла для термоэлектрических преобразователей». Горение и пламя . 138 (4): 401–403. doi : 10.1016/j.combustflame.2004.06.007 .
- ^ Ши, Синь-И; Хуан, Йен-Чин (июнь 2009 г.). «Тепловая конструкция и модельный анализ рекуператора швейцарского типа для инновационной микрогазовой турбины». Прикладная теплотехника . 29 (8–9): 1493–1499. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2008.06.029 .
- ^ Ян, ВМ; Чжоу, СК; Шу, К.; Сюэ, Х.; Лил, ZW (17 марта 2004 г.). «Разработка прототипа микротермофотоэлектрического генератора». Журнал физики D: Прикладная физика . 37 (7): 1017–1020. дои : 10.1088/0022-3727/37/7/011 .
- ^ Айхльмайр, ХТ; Киттельсон, Д.Б.; Захария, MR (ноябрь 2003 г.). «Сгорание микро-HCCI: экспериментальная характеристика и разработка подробной химической кинетической модели со спаренным движением поршня». Горение и пламя . 135 (3): 227–248. дои : 10.1016/S0010-2180(03)00161-5 .
- ^ Ли, Цзюньвэй; Чжун, Пекин (май 2008 г.). «Экспериментальное исследование теплопотерь и горения в микротрубной камере сгорания метана и кислорода». Прикладная теплотехника . 28 (7): 707–716. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2007.06.001 .
- ^ Кумар, Сударшан; Марута, Каору; Минаев С. (3 апреля 2007 г.). «Экспериментальные исследования поведения горения метано-воздушных смесей в новой микромасштабной радиальной конфигурации камеры сгорания». Журнал микромеханики и микроинженерии . 17 (5): 900–908. дои : 10.1088/0960-1317/17/5/008 .
- ^ Кумар, С.; Минаев С.; Марута, СК (январь 2007 г.). «О формировании множественных вращающихся пелтонообразных структур пламени в радиальных микроканалах с бедными метановоздушными смесями». Труды Института горения . 31 (2): 3261–3268. дои : 10.1016/j.proci.2006.07.174 .
- ^ Хандельвал, Бхупендра; Кумар, Сударшан (декабрь 2010 г.). «Экспериментальные исследования поведения стабилизации пламени в расширяющемся микроканале с предварительно перемешанными метановоздушными смесями». Прикладная теплотехника . 30 (17–18): 2718–2723. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2010.07.023 .