微波誘發電漿增進層流預混火焰燃燒特性之研究:氧化劑流中惰性氣體的作用

Abstract

值此能源日益短缺的年代，貧油燃燒(lean combustion)受到普遍的重視，但是傳統貧油燃燒容?遭遇到火焰?穩定的問題，為使貧油預混燃燒器設計有良好的火焰穩定性，並在合理的範圍內避免火焰熄滅(extinction)、吹離(blowoff)及吹熄(blowout)等不穩定的情況。因此如何控制火焰型態與創新的燃燒穩駐機制已成為?多研究學者關注之重點。 本研究為了增進火焰穩駐，利用微波誘發電漿以輔助火焰穩駐而應用於甲烷與空氣的預混火焰，本研究自製創新的燃燒器有效利用微波誘發電漿以輔助甲烷預混火焰的穩駐，並深入探討此過程中微波電漿的能量傳遞機制。此外，為深入瞭解流體介質之性質與特性在此機制中扮演的角色，本研究之燃燒介質以氧化劑流中的惰性氣體氬氣(argon Ar)取代空氣中的氮氣(nitrogen N2)，分別比較兩種氣體在微波誘發電漿火焰穩駐機制的差異性。實驗將甲烷/氧氣/氮氣以及甲烷/氧氣/氬氣之混合氣通入燃燒器形成一層流預混火焰，將燃燒器置入微波共振腔體內進行研究，本文亦利用數值計算作氬氣取代氮氣後基本火焰燃燒特性的探討，計算結果發現，氬氣在一般層流預混火焰中導致層流火焰速度最大上升40cm/s與絕熱火焰溫度最大上升200K左右主要是由於熱效應的影響。 除此之外，本實驗利用自然螢光(chemiluminescence)量測系統以及光譜量測(optical emission spectroscopy)系統進行觀察腔體內部火焰隨氧化劑惰性氣體改變之燃燒特性。當微波電場加入以後，火焰中形成電漿球能促進氧分子提早加速分解，導致OH自由基生成量提升，達到火焰燃燒反應更加劇烈之目的。最後實驗結果發現，燃燒介質氮氣以氬氣取代後，微波能量在介質為氬氣之電漿比介質為氮氣之電漿所維持電漿球的最小需求能量減少約50%。本研究在氬氣取代氮氣之電漿，氧氣容易受到電子撞擊形成分解，使得OH自由基生成量的提升進而使火焰增強。

Date of Award	2015 Jan 20
Original language	Chinese
Supervisor	Yei-Chin Chao (Supervisor)