靜電場作用下正戊烷在金屬管內積碳特性分析

邱成旭，周偉星，龍 琳，金 丹

(1.哈爾濱工業大學 能源科學與工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001； 2.西安航天動力研究所， 陜西 西安 710100)

0 引言

高超聲速飛行器的性能需求隨航天事業的發展迅猛增加[1-2]，令發動機熱防護問題面臨巨大挑戰[3]。吸熱型碳氫燃料由于其優良的物理化學熱沉而被廣泛應用于燃燒室壁面冷卻[4-6]。流經高溫壁面后的燃料經供油管路被再次注入燃燒室中。而在供油系統管路中，一部分積碳是由燃料與其溶解氧發生反應生成，嚴重影響其流動及換熱過程。在極端條件下會造成嚴重后果。

碳氫燃料在高溫條件下會發生催化結焦及非催化兩類沉積，催化沉積主要是由于在管壁金屬元素催化作用下，燃料發生脫氫反應，一般此類積碳形態為絲狀或棒狀，非催化沉積分為熱氧化沉積及熱裂解沉積，當燃料溫度在150～450 ℃溫度區間時，燃料主要與其自身溶解氧發生反應生成前驅體，再通過一系列聚合反應及物理沉降、吸附等過程生成積碳[7]。當溫度高于450 ℃時，燃料中的氧消耗殆盡，同時達到了燃油裂解溫度，裂解產生的自由基相互聚合脫氫最終形成大分子不溶物附著在壁面[8]。氧化沉積同時受到溫度[9]、含氧量[10]和流動狀態[11-12]等因素的影響。目前對氧化沉積的抑制方法是對燃料進行除氧處理[13]。對于裂解沉積主要采用添加壁面涂層以及燃料供氫劑等方法。然而目前抑制積碳的措施有待提高。

大量研究表明，電場對特定的物理化學過程可產生顯著影響，并且由于其易于控制和實現等優勢而被廣泛利用，例如靜電除塵[14]、電導泵[15]、化學反應控制[16]等。當處于流體中的電壓高于臨界值時，在流體中會形成二次流或射流等現象[17]。目前應用較廣的放電結構為線(針)板式[18-19]和線(針)管式[20]。近年來電場逐漸應用于碳氫燃料和推進的研究領域[21]。Che F發現電場可以明顯地減小甲烷在重整過程中在鎳催化劑表面的積碳[22]。Tsolas N通過實驗發現，由電場產生的等離子體可以明顯地促進正構烷烴的低溫氧化過程[23]。Rousso發現高強度電場產生的等離子體對于正庚烷的氧化優于高濃度氧氣狀態下的效果[24]。Toktaliev P D進行了電場作用下正戊烷氧化沉積的數值模擬研究，結果表明，溫度是影響積碳的主要因素，電場對其抑制作用可達10%左右[25]。

基于電場對物理化學過程產生的明顯效果，設計出便于安裝至管路中的針—管式流動反應器。探究電場對正戊烷在管內積碳的影響效果。為尋求新型抑制碳氫燃料積碳手段提供參考。

1 實驗系統

實驗燃料選取95%純度的正戊烷。如圖1所示實驗系統由燃料供給部分、流動反應器、冷卻部分和數據采集部分組成。加熱器內部置有內徑4 mm、總長度為2 m的螺旋管并采用電流加熱方式。燃料流經加熱器后以恒定溫度(600 K)進入流動反應器。流動反應器外表面接地并與示波器相連用于測定實驗回路的電流。

圖1 電場影響燃料結焦實驗系統Fig.1 Experimental system of electric field affecting fuel coking

圖2顯示靜電場流動反應器是由電極固定段、測試段組成。為避免電極絲在電極固定段內發生放電，應用陶瓷管包裹了電極絲。為固定電極，將金屬管與電場段焊接，陶瓷管與金屬管之間由耐高溫絕緣泥填充，保證系統密封性。為便于系統拆卸，測試段與電極固定段采用螺紋連接。測試段外表面用保溫棉包裹，盡量減少系統熱損耗。為保證收集回路電流的準確性，在電極固定段入口及試驗段出口位置均設置有絕緣端子，電場段前端絕緣子還可屏蔽加熱系統對測試系統帶來的影響。所用試驗段不銹鋼管長度為100 mm，內徑10 mm，外徑12 mm。電極針為不銹鋼材質，其尾部直徑為1 mm，尖端直徑為0.1 mm。實驗具體參數如表1所示。每組實驗工況均被重復3次，每次實驗均對電極和實驗段進行更換。

圖2 流動反應器結構Fig.2 Structure of the flow reactor

表1 實驗參數

2 實驗結果分析

2.1 正戊烷的靜電特性分析

本文利用實驗系統對正戊烷在實驗條件下的靜電特性進行測定，如圖3所示，正戊烷入口溫度為600 K、入口雷諾數為650、施加電壓低于2 200 V時，回路電流近似為零，此時在反應器內幾乎沒有電荷的產生。而當電壓高于2 200 V時，回路電流發生突變，產生放電現象。當施加電壓超過5 000 V時，發生擊穿現象，因此，實驗電壓范圍被限定在5 000 V以內。圖4為產生放電現象的示意圖，空間中存在的電子在電場中獲得能量而碰撞中性燃料分子，當電極表面電勢較低時，此時電場為電子提供的能量不足以對中性分子造成影響。而當電壓高于臨界電壓時，高能自由電子會將中性燃料分子撞擊為正離子和電子，產生的電子又會繼續令其他中性分子發生電離，從而引發鏈式反應。電離僅發生在距離電極很近的薄層中，在薄層之外主要發生電子附著在燃料分子表面，令燃料受到電場力的作用。放電可以產生明顯的二次流動，對原有流動造成擾動。

圖3 回路電流測定Fig.3 Measurement of loop current

圖4 放電的微觀過程Fig.4 Microscopic process of discharge

2.2 電場對壁面結焦形貌及分布影響

將實驗后的反應器測試段進行線切割，并在不同位置進行掃描電子顯微鏡(SEM)微觀測試。如圖5所示，結焦顆粒形貌以球狀為主，其粒徑在1～11 μm范圍內。

圖5 不同電壓下反應器壁面結焦形貌Fig.5 Coking morphology of the reactor wall at different voltages

將不同電壓條件下的粒徑進行統計分析。粒徑概率密度分布曲線如圖6所示。隨著施加電壓的增加，曲線的峰值向小粒徑的方向移動，說明電場的施加不利于大粒徑結焦顆粒的聚集。其主要原因是燃料受到與其流動方向垂直的電場力，當電場力克服其黏性阻力后，會產生二次流動從而破壞流動邊界層，不穩定的流動會阻礙結焦顆粒的聚集和附著。

本文統計了測試段不同軸向位置的結焦顆粒所占面積比例，如圖7所示。反應器壁面的結焦嚴重位置會向出口方向偏移。由于電極是針狀結構，會分解出沿反應器軸線方向的電場分量，導致燃料在流動過程會受到與流動方向相同的電場力作用，令流速增加，因此反應器結焦嚴重位置向出口方向偏移。圖8展示了反應器內的壓差變化，同時反映出了軸向速度的增加，隨著電壓的施加，電場的加速作用變得更加明顯。這會導致沉積過程整體向軸線方向推移，從而造成了結焦顆粒沿管壁分布出現差異。

圖6 不同電壓下結焦顆粒粒徑分布情況Fig.6 Size distribution of coking particles at different voltages

圖7 不同電壓下結焦顆粒沿程分布面積比例Fig.7 Proportion of distribution area of coking particles at different voltages

圖8 不同電壓下反應器內的壓降Fig.8 Pressure drop in the reactor at different voltages

2.3 積碳含量分析

利用程序升溫氧化(TPO)對實驗樣品進行積碳含量分析。被氧化銅包裹的樣品置于馬弗爐內以20 K/min的速率升溫。并利用二氧化碳分析儀實時記錄CO2的生成量。如圖9所示，將純石墨氧化所得CO2與實驗樣品進行對比。樣品中二氧化碳的峰值溫度遠低于石墨的燒炭溫度。說明正戊烷在實驗條件下主要發生氧化結焦。

圖9 測試段的TPO 結果分析Fig.9 Results analysis of TPO fortest section

將圖9中曲線進行積分，并利用式(2)計算得到積碳質量從而計算出正戊烷在壁面積碳速率。如圖10所示，隨著電壓的施加，積碳的質量明顯減少，當電壓加至5 000 V時，最大積碳抑制量可達19.01%。實驗所得結果與文獻[26]具有良好的一致性。TPO測試也用于電極表面的積碳量測定，結果顯示電極表面積碳量極少，對系統的總積碳量的影響可以忽略不計。

圖10 不同電壓下反應器內積碳速率Fig.10 Carbon deposition quality of reactor at different voltages

由CO2生成速率，可計算出不同工況下的總結焦量。計算公式如下：

(1)

(2)

式中：MCO2為CO2質量，mg；MC為試驗段中焦炭的質量，mg；Q為二氧化碳分析儀進氣泵的體積流量，為0.5 L/min；f(t)為CO2生成速率隨時間變化曲線，mg/m3。

3 結論

本文針對碳氫燃料在高超聲速飛行器供油管路內的結焦問題提出了新型抑制手段，進行了正戊烷在0～5 000 V電壓條件的結焦對比實驗測試后得到：

1)在正戊烷溫度為600 K，入口雷諾數為650情況下，施加電壓高于2 200 V時，回路開始收集到穩定電流。當電壓加至高于5 000 V時，發生擊穿現象。

2)正戊烷在反應器壁面的結焦形貌主要為球形，其粒徑在1～11 μm之間。電場的施加可以明顯地改變結焦顆粒的粒徑分布。隨著施加電壓的增加，小粒徑顆粒所占比重增加，并且壁面結焦嚴重的位置會向出口方向偏移。

3)隨著電壓的升高，放電產生的二次流動會破壞流動邊界層，并且電場對燃料的軸向加速作用會減少燃料駐留時間，這兩種效應均對結焦產生抑制作用，并且隨著電壓的增加，抑制效果更加明顯，最大結焦抑制量可達19.01%。