论文总字数：26551字

摘 要

如今，纳米结构材料和功能设备的制造在可再生能源利用、环境保护治理和相关产品开发方面提供了许多潜在机会，并做出了实质性的贡献，很多纳米材料产品都是通过火焰喷雾热解法制成的，已在工业中应用广泛。火焰喷雾热解法产生的火焰为预混湍流火焰，湍流火焰是燃烧界的难题之一，而温度场是预混湍流火焰中极其重要的参数之一。通常对湍流火焰采用模型和数值模拟的方式进行研究，实验研究很少。本论文发展了一种新的接触法测温来获得火焰温度，采用特制的接点是0.7mm的热电偶有能力对辐射热损失和从金属丝到接点的热传导导致的热惯性系数改变进行精确补偿，方便快捷而且精度很高。本研究搭建了一个火焰喷雾热解法的实验台，并对其燃烧稳定条件进行了进一步的研究，拍摄了不同工况下火焰燃烧的图片作为参考。并成功测量了一个稳定工况下火焰温度场，采用matlab做成了温度场图，对温度场进行了初步的解释，并对存在的问题提出了未来的解决方法。

关键词：预混湍流火焰，火焰喷雾热解法，热电偶，温度场

Abstract

Nowadays, manufacture of the nano-structure material and device have provided many chances for renewable energy utilization, environmental protection standards and product development and have made substantial contribution. Many nanomaterials products have been made through flame spray pyrolysis, and has been widely applied in industry. The flame produced by flame spray pyrolysis is kind of turbulent premixed flame and it is one of the most difficult scientific issues in the combustion industry due to its instability of combustion and difficult measurement. Temperature field is one of the important parameters in turbulent premixed flame. The turbulent flame is usually studied by numerical simulation and modeling, while direct experiment is rare. A new method is used to improve the traditional temperature measurement of thermocouple. A tailor-made thermocouple with the junction diameter of 0.7 mm can realize accurate compensation for radiation heat loss and specific heat capacity rising with the heat conduction from wires to the junction, making it convenient and accurate. In this experiment a laboratory scale flame spray pyrolysis setup was built and research are conveyed for its combustion stability. Pictures under different conditions were taken of reference and a temperature field in one specific stable condition were measured, which was interpreted into figure by matlab. Some preliminary analysis was made and some views on the improvement for future study were listed.

KEY WORDS: Turbulent premixed flame, flame spray pyrolysis, thermocouple, temperature field

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 选题背景及意义 1

1.1 火焰喷雾热解法 1

1.2 燃烧学理论 1

1.2.1 燃烧的定义和分类 1

1.2.2 预混燃烧 2

1.3 温度场的测量方法 4

1.3.1 非接触式测温方法 5

1.3.2 接触式测温方法 7

1.4 主要研究内容 8

第二章 实验台介绍 9

2.1 火焰喷雾热解试验台的搭建 9

2.2 气体质量流量计 10

2.3 注射泵介绍 11

2.4 三维位移台 12

2.5 测温方法的确定以及测温元件的选取 13

2.6 热电偶三维坐标的确定 14

第三章 实验内容和分析 16

3.1 火焰稳定燃烧条件的确定 16

3.2 温度场的测量 18

3.3 实验过程问题小结 23

第四章 总结和展望 24

致谢 25

参考文献 26

选题背景及意义

火焰喷雾热解法

如今，纳米结构材料和功能设备的制造在可再生能源利用、环保达标和产品开发方面提供了许多机会，并做出了实质性的贡献。在过去的20年中，火焰喷雾热解不仅被证明是用于生产控制良好的纳米结构材料(包括单金属氧化物，混合氧化物纳米复合材料和碳纳米结构)的最具扩展性和经济性的技术，也被认为是坚固纳米材料的制造方法之一^[1-5]。如今，纳米材料领域十分关注如何合成具有特殊性质的纳米颗粒，所以出现了大量的文献来介绍如何制造不同机械性质、化学性质、电磁性质的纳米颗粒。与此同时，人们也想要将纳米颗粒集聚成更大的集合体亦或是功能性材料，所以也对如何控制集合过程本身十分关注^[5-9]。

当下很多纳米材料产品都是通过火焰喷雾热解法制成的，工业生产各种各样的商品（SiO₂、TiO₂、Al₂O₃和其他氧化物）是通过燃烧卤化物和碳氢化合物的蒸汽来制取。喷雾热解法是指将雾状的金属盐溶液喷入高温环境中，从而使得溶剂蒸发以及金属盐的热分解，随后因过饱和而析出固相从而直接得到纳米粉体；或者是将溶液喷入高温气氛中进行干燥，然后再经过热处理来形成粉体。其在工业中应用广泛，可以通过燃烧卤化物和碳氢化合物得到各种各样的产品（二氧化硅，氧化铝或者其他氧化物）。另一方面，相对于传统蒸汽火焰反应器来说，火焰喷雾热解法能够应用更多种类的液体前驱体，最近，通过FSP方法已经制造了许多种类的陶瓷粉末如TiO₂^[10]、MgAlO₄^[11]、γ-Fe₂O₃^[12]、Al₂O₃和ZrO₂ ^[13-15]。FSP方法能够使用廉价前驱体来生产混合金属氧化物粉末^[16-17]，其优势在于能够直接在燃料中溶解前驱体的能力、将前驱体直接引入热反应区的简单性和使用高速射流来使喷雾快速淬火的灵活性。

对于当下中国来说，节能减排是贯彻落实科学发展观、构建社会主义和谐社会的重大举措，是建设资源节约型、环境友好型社会的必然选择，对于转变增长方式，调节经济结构、提高人民生活质量，维护中华民族长远利益具有极其重要而深远的意义。目前钙基吸收剂循环煅烧/碳酸化捕集CO₂是常用的CO₂减排方法，主要利用石灰石等钙基吸收剂煅烧产物CaO 捕集煤燃烧或气化产生的CO₂，生成CaCO₃，然后浓缩和回收煅烧CaCO3所释放出的CO₂。然而传统的制备方式制备得到的钙基吸附剂在循环 煅烧过程中耗费大量能源，并且吸附效率下降较快，因此大大增加了运行成本。而火焰喷雾热解法在制备纳米级别金属复合材料方面有多项优势，如颗粒制备成本低、几乎不会产生有毒副产物、直接形成颗粒不易聚集成团等，所以着重研究颗粒制备过程。

燃烧学理论

燃烧的定义和分类

燃烧是指可燃物和氧化剂发生的一种发光发热的具有一定反应速率的化学反应。狭义上的燃烧通常都是指可燃物与氧气的快速氧化反应，氧化剂通常都是氧气。广义上的燃烧指任何发光发热的剧烈的氧化反应，氧化剂可以是任何其他的氧化物，例如钠和氯气反应会产生剧烈的发光发热现象，这都属于燃烧范畴。燃烧主要涉及四个科学领域：热力学，化学动力学，流体力学，和迁移现象。因此,燃烧性能可以通过上述的学科得到改进。

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