CN102734799A - 多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法，包括：根据多孔介质材料的流量密度、单位长度压降、孔隙率和多孔介质材料内流体的动力粘性系数，得出多孔介质材料的平均孔径的计算公式；根据所述计算公式，计算多孔介质燃烧器的各个候选制造材料的平均孔径；根据计算结果，按照预设筛选条件对所述各个候选制造材料进行筛选。本发明多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法，根据多孔介质材料的流量密度、单位长度压降、孔隙率和多孔介质材料内流体的动力粘性系数，得出了用于计算多孔介质材料的平均孔径的通用公式，通过快速计算各个候选制造材料的平均孔径，大大降低了制造多孔介质燃烧器前对候选材料进行筛选的复杂工序，提高了效率。

Description

多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法

技术领域

本发明涉及多孔介质材料技术领域，尤其涉及一种多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法。

背景技术

多孔介质材料特有的结构特征，如孔穴的结构、形状、尺寸大小等直接决定了多孔介质材料的表征参数和性能。多孔介质材料的孔隙率、孔密度、比表面积、通透性、导热系数等参数会对气体的内部流动、气体与固体骨架之间的对流换热、固体内部的导热与辐射传热特性产生决定性的影响，进而影响可燃气体在多孔介质内的燃烧特性。这也是导致多孔介质材料内的燃烧不同于其它燃烧方式的根本所在。因此，多孔介质燃烧器的制造材料对燃烧器的工作性能有着重要的影响。

在设计和制造多孔介质燃烧器时，需要掌握制造燃烧器所用的多孔介质材料的平均孔径。平均孔径是多孔介质材料的重要参数，对多孔介质材料的透过性、渗透率、过滤性等其它一系列性质均具有显著影响，因此其准确测量对设计和制造多孔介质燃烧器具有十分重要的意义。但多孔介质材料中孔的结构非常复杂，孔隙形状和尺寸具有较大的差异，再加上多孔介质种类的多样性和结构复杂性，使得对平均孔径的计算和测量难以统一。目前的一般做法大多局限于实验方法，针对某种材料或者某种具体规格，得出其平均孔径的经验关系式。由于所选用材料的差异以及实验方法的不同，该做法得出的结果差别很大。在面对多种类、具有不同结构的多孔介质材料时，缺乏通用性。

发明内容

基于此，本发明提供了一种多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法。

一种多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法，包括以下步骤：

根据多孔介质材料的流量密度、单位长度压降、孔隙率和多孔介质材料内流体的动力粘性系数，得出多孔介质材料的平均孔径的计算公式；

根据所述计算公式，计算多孔介质燃烧器的各个候选制造材料的平均孔径；

根据计算结果，按照预设筛选条件对所述各个候选制造材料进行筛选。

与一般技术相比，本发明多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法，根据多孔介质材料的流量密度、单位长度压降、孔隙率和多孔介质材料内流体的动力粘性系数，得出了用于计算多孔介质材料的平均孔径的通用公式，可以对不同种类、不同结构的多孔介质材料实现统一计算，而不必针对不同材料分别进行实验以得出具体的拟合公式。通过快速计算各个候选制造材料的平均孔径，大大降低了制造多孔介质燃烧器前对候选材料进行筛选的复杂工序，提高了效率。

附图说明

图1是本发明多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法的流程示意图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及取得的效果，下面结合附图及较佳实施例，对本发明的技术方案，进行清楚和完整的描述。

请参阅图1，为本发明多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法的流程示意图。本发明多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法包括以下步骤：

S101根据多孔介质材料的流量密度、单位长度压降、孔隙率和多孔介质材料内流体的动力粘性系数，得出多孔介质材料的平均孔径的计算公式；

作为其中一个实施例，可将多孔介质材料的孔道按照圆形毛细管处理，得出以下多孔介质材料的平均孔径的计算公式：

$d=\sqrt{\frac{32\mathrm{\μLQ}}{\mathrm{\ϵA\Δp}}}$

其中，μ为多孔介质材料内流体的动力粘性系数，L为所述圆形毛细管的长度，也即多孔介质材料厚度，Q为多孔介质材料内流体的容积流率，ε为多孔介质材料的孔隙率，A为多孔介质材料床层沿流体流动方向的横截面积，Δp为流体的流动压力降，且L/Δp为多孔介质材料的单位长度压降的倒数，Q/A为多孔介质材料的流量密度。

采用透过法测量多孔介质材料的平均孔径。将多孔材料的孔道视为正直的圆形毛细管，气体在较低的流速下通过时，根据哈根-泊萧叶（Hagen-Poiseuille）公式有：

$u_m=\frac{d^2}{32\mathrm{\μ}}\·\frac{\mathrm{\Δp}}{L}$

其中，u_m为毛细管内平均流速，d为毛细孔直径，Δp为毛细管两端压差，μ为流体的动力粘性系数，L为毛细管长度（即多孔体的厚度）。

将上面公式写成通过毛细管流量的形式得：

$Q^{\′}=\frac{\mathrm{\π}{d}^4\mathrm{\Δp}}{128\mathrm{\μL}}$

若在多孔体界面A上有N根毛细管，则总流量为：

${Q=\mathrm{NQ}}^{\′}=\frac{\mathrm{\π}{d}^4\mathrm{\Δp}}{128\mathrm{\μL}}$

若多孔体的孔隙率为ε，在截面A上的孔隙所占面积为εA，则有：

$N=\frac{4\mathrm{\ϵA}}{\mathrm{\π}{d}^2}$

带入上式整理可得：

$Q=\frac{\mathrm{\ϵA}{d}^2\mathrm{\Δp}}{32\mathrm{\μL}}$

整理得：

$d=\sqrt{\frac{32\mathrm{\μLQ}}{\mathrm{\ϵA\Δp}}}$

理论上该式还应该乘上一个流道弯曲修正系数，但考虑到泡沫陶瓷孔隙较大，气流通过时弯曲度很小，故不作修正。

在应用此公式计算孔径时，必须满足流速相当低的条件，属于Darcy流，此时单位长度压降ΔP/L和流量密度Q/A成直线关系，斜率恒定。通过实验数据，在坐标图上可以容易地确定直线段，选择压降对应的流量，可以由上式计算出平均直径d。

在大多数情况下，流体通过多孔体的流动通常涉及三种主要机理，它们是黏性流动、惯性流动和滑移流动。假设多孔材料的孔贯通连续，当孔隙尺寸D比流体的平均分子自由程λ大得多时，即

$D>>\mathrm{\λ}=\frac{1}{\sqrt{2}\mathrm{\πn}{d}^2}$

式中n和d分别为单位体积气体中的气体分子数和气体分子直径，流体流动为粘性流。在低流速下，流体通过多孔体时普遍遵守达西（Darcy）经验定律，其表达式为

$Q=\frac{K}{\mathrm{\μ}}A\frac{\mathrm{\Δp}}{L}$

式中Q为牛顿流体以很低的速度渗流通过多孔体的容积流率；A为多孔体床层沿流动方向的横截面积；L为多孔体床层厚度；μ为流体动力粘性系数；Δp为流动压力降；K为渗透系数或粘性透过系数。

还可以写成：

$\frac{\mathrm{\Δp}}{L}=\frac{\mathrm{\μ}}{K}u$

式中u为截面平均流速，其它符号同前。

当流体在较高的压力和流速下通过多孔材料时，孔道中将出现局部紊流。局部的紊流以及流体通过曲折孔道流动时方向的变化都会引起能量损失，此时压差与流量不再是线性关系，达西经验定律也不再适用，偏离的大小正比于流速的平方。为此佛切迈尔（Forchheimer）把达西公式修正为：

$\frac{\mathrm{\Δp}}{L}=\frac{\mathrm{\μ}}{k_1}u+\frac{\mathrm{\ρ}}{k_2}{u}^2$

式中k1为Darcian渗透率，k2为非Darcian渗透率，其它符号意义同前。

在孔隙尺寸极小，气体在低压或高温情况下，孔隙尺寸比流体的平均分子自由程大得多的假设失效。当气体分子平均自由程与多孔固体的孔隙尺寸同数量级时，发生滑移流动。孔隙直径在毫米量级，一般不会发生滑移流动。

从上面两个公式可以看出，要知道多孔体的压降，需要知道多孔体的渗透率。一般是通过实验的方法获得。

作为其中一个实施例，采用分辨率为1Pa的微压计测量不同孔眼密度的氧化铝泡沫陶瓷的透过性能。可以看出，在低流速下，流体流过泡沫陶瓷时，单位厚度的压降和流速呈线性增长，完全符合Darcy渗流定律；随着流速的进一步增加，单位厚度的压降和流速不再是线性关系，而是加速上升。对10PPI、20PPI、30PPI和40PPI泡沫陶瓷，由实验数据拟合的压降和流速之间的关系方程分别如下式所示：

$10\mathrm{PPI}:\frac{\mathrm{\Δp}}{L}=244u+492u^2$

$20\mathrm{PPI}:\frac{\mathrm{\Δp}}{L}=552u+1352u^2$

$30\mathrm{PPI}:\frac{\mathrm{\Δp}}{L}=921u+1270u^2$

$40\mathrm{PPI}:\frac{\mathrm{\Δp}}{L}=1143u+1271u^2$

由拟合方程，结合佛切迈尔公式，可以得到不同规格泡沫陶瓷的Darcy和非Darcy渗透系数，结果如表1所示。

表1  不同规格泡沫陶瓷的渗透系数

S102根据所述计算公式，计算多孔介质燃烧器的各个候选制造材料的平均孔径；

根据前面的透过性实验可以明显看出在较低的流速下单位长度压降ΔP/L和流量密度Q/A成直线关系。依据通透性实验数据的拟合方程式，结合平均孔径计算公式可计算得到平均孔径。通过和其它方法得出的数据进行对比，发现本发明利用透过法得出的孔径和其它几种不同的方法得出的数据基本是一致的。和影像法相比，用透过法测量泡沫陶瓷的平均孔径是一种简单有效的方法。

S103根据计算结果，按照预设筛选条件对所述各个候选制造材料进行筛选。

作为其中一个实施例，可利用筛选出的满足所述预设筛选条件的候选制造材料，制造多孔介质燃烧器。

与一般技术相比，本发明多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法，根据多孔介质材料的流量密度、单位长度压降、孔隙率和多孔介质材料内流体的动力粘性系数，得出了用于计算多孔介质材料的平均孔径的通用公式，可以对不同种类、不同结构的多孔介质材料实现统一计算，而不必针对不同材料分别进行实验以得出具体的拟合公式。通过快速计算各个候选制造材料的平均孔径，大大降低了制造多孔介质燃烧器前对候选材料进行筛选的复杂工序，提高了效率。

本发明提出的多孔介质材料平均孔径的计算公式，可以应用于材料领域中多孔材料结构的定量描述和表征；应用于煤矿领域低浓度瓦斯气体的综合利用，对于节约能源和保护环境具有十分重要的意义；应用于多孔介质燃烧器设计、制造领域，提高多孔介质燃烧器燃烧效率。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：

根据多孔介质材料的流量密度、单位长度压降、孔隙率和多孔介质材料内流体的动力粘性系数，得出多孔介质材料的平均孔径的计算公式；

根据所述计算公式，计算多孔介质燃烧器的各个候选制造材料的平均孔径；

根据计算结果，按照预设筛选条件对所述各个候选制造材料进行筛选。

2.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法，其特征在于，所述得出多孔介质材料的平均孔径的计算公式的步骤，包括以下步骤：

将多孔介质材料的孔道按照圆形毛细管处理，得出以下多孔介质材料的平均孔径的计算公式：

$d=\sqrt{\frac{32\mathrm{\μLQ}}{\mathrm{\ϵA\Δp}}}$

其中，μ为多孔介质材料内流体的动力粘性系数，L为所述圆形毛细管的长度，也即多孔介质材料厚度，Q为多孔介质材料内流体的容积流率，ε为多孔介质材料的孔隙率，A为多孔介质材料床层沿流体流动方向的横截面积，Δp为流体的流动压力降，且L/Δp为多孔介质材料的单位长度压降的倒数，Q/A为多孔介质材料的流量密度。

3.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧器制造材料的筛选方法，其特征在于，在所述对所述各个候选制造材料进行筛选的步骤之后，包括以下步骤：

利用筛选出的满足所述预设筛选条件的候选制造材料，制造多孔介质燃烧器。

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