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行业知识

80kw脉动燃烧机及其测试系统的设计

80kw脉动燃烧机及其测试系统的设计

摘要:  脉动燃烧十燥系统的核心装置是脉动燃烧机,合理的脉动燃烧机设计是保证干燥过程节能、减排以及高效运行的必要条件。以额定功率80 kw的脉动燃烧机设计为例,详细阐述了H etnholtz型脉动燃烧机的尾管、燃烧室、燃气供气系统及空气阀的设计过程以及设计时应注意的原则和合理的设计方法,给出了80kw动燃烧机各个部件的尺寸。同时,还介绍了脉动燃烧测试系统所需的硬件条件、选型以及测试软件的编写;最后给出了自行设计的脉动燃烧性能测试实验装置的实测结果。

0引言

脉动燃烧机的结构设计

    脉动燃烧是一种不同于常规燃烧的周期性燃烧方式。与传统的燃烧方式相比较,具有燃烧效率高、燃烧强度大、热效率高、N(1及00污染物排放量小等优点。脉动燃烧机是产生脉动燃烧的装置,它结构简单、体积小、运动部件少,具有自吸、自燃及正压排气筹特点。

    脉动燃烧在农业及农产品加工方面的研究以及应用越来越广泛。国外已经成功地将脉动燃烧机应用于果树农药的喷洒上面;经对玉米进行过脉动燃烧干燥的试验研究;20世纪80年代美国的Sonodmel业公司用他们所研制的脉动燃烧干燥系统成功地干燥了食品、农产品等;以色列的Tanburel等人曾经应用脉动燃烧干燥装置对蔬菜和水果进行干燥;美国Hosokawa BePex公司生产的Un jSCr~7]k动燃烧干燥机成功地应用于动物饲料添加剂的干燥。

    脉动燃烧机有3种基本类型:Sq-rn id型(又称1/4波长型)、He}nholtzJ和Riike型。其中,Hetn holtz型脉动燃烧机在农产品加工领域应用最广泛。本文所设计的即为80lW的Hem holtJ的脉动燃烧机以及其性能测试系统,所设计燃烧机可用于干燥系统的供热装置。脉动燃烧机由空气阀、燃烧室、燃气供气系统、尾管等组成。脉动燃烧装置的结构示意图,。

 1. 1燃烧室及尾管的设计

    燃烧室是脉动燃烧机的主要部件燃烧室的体积越小其容积热强度越大,一般根据脉动燃烧所能达到的容积热强度,再考虑燃烧稳定性范围的影响来确定燃烧室的体积。中小功率供热装置的燃烧容积热强度一般可取(1~2)×l04 kW/nfo参照笔者实验室以前所设计脉动燃烧机尺寸,体积定为6 327 cnf,由此得出其容积热强度为1. 26×l04lWlni,采用D159×6规格的无缝钢管制作。空气阀与燃气喷嘴之间成900夹角,电火花塞则与它们分别成1 35。夹角安装。

为了使燃气与空气能在进入燃烧室前充分预混,脉动燃烧机都设计有混合室,但实验发现大部分带有预混结构的燃烧室内的燃烧都发生在混合室与燃烧室的连接处,并没有如预想的发生在混合室,燃烧室只起到了谐振腔的作用。这可能是因为燃气与空气的混合过程比预想要快得多,混合与燃烧在瞬间完成,混合室充当了部分燃烧室的作用。基于上述原因,本设计取消了混合室。

    尾管是脉动燃烧后的高温产物排出的通道,是脉动燃烧机的主要换热构件。尾管的长度及截面积的大小对脉动燃烧的热效率、运行频率甚至是稳定性都有着重要的影响。尾管加长能够增加换热面积,提高换热效率,但同时也会使排气阻力增大,增高燃烧室内平衡压力,使脉动燃烧机的运行频率逐渐降低,运行稳定性下降。通过实验发现,当尾管的长度超过一临界值时燃烧机脉动频率会从基波型振荡频率跃迁到二次谐波振荡频率,脉动频率再次升高。为了观察尾管长度对燃烧参数的影响,本设计的尾管采用分段组合式,各段尾管之间采用法兰连接。这样就可以通过调整尾管的长度来改变脉动燃烧机的一些操作性能。

L2燃气系统的设计

    燃气系统包括燃气进气阀、燃气进气管、燃气去耦室、燃气瓶等。80研的脉动燃烧机,其额定燃烧热负荷为28 8MJ/b实验室采用30 k虢化石油气瓶供气,采用下式来计算燃气管内的额定燃气流速,即供气管设计选用中14×2胶管,液化石油气热值大概为1×los kj/nf,计算得Ⅵ-7. 08m/,s满足燃气经济流速条件。 燃气去耦室具有稳定燃气气流,降低噪音的作用。当声压透射系数最小时,能有效阻隔噪音。声压透射系数按下式计算,

    由上式可知当去耦室长度为1/4声波波长的奇数倍耐声波的透射系数最小,此时其降噪效果最好。一般燃气去耦室直径为供气管路直径的5倍左右,此次燃气去耦室设计成为+108×I丑70 rruy其体积为V=1556 56 cnf。

    燃气阀是用来调节燃气流量,阻止燃烧后的混合物回流至燃气管的部件。本次设计采用的是单向阀,通过改变燃气阀片的移动距离来调节燃气的流量。L 3空气进气系统设计分析

    空气进气系统包括:风机、空气去耦室、进气管及空气阀。风机有两个作用:一是提供脉动燃烧点火时所需要的空气;二是在点火前及熄火后对燃烧室进行吹扫,以吹散余气保证安全。对风机的功率并无严格要求,本设计选用功率为60W风量为90m/h的离心式电动吹风机。

    空气去耦室的两个作用:一是减少外界气流扰动对脉动燃烧的影响;二是降低脉动燃烧产生的噪音,降噪是其主要作用。

    进气管是连接空气阀与燃烧室或混合室之间的管道,其长短对脉动燃烧机能否稳定燃烧有着重要的影响。文献[6]提到一个正常脉动工作的燃烧机,当I增长到385 rrrn时竟然不能起振。当进一步增长到600 mm时又恢复脉动工作状态,但此时空气阀的吸气流量不足,燃烧显出不完全性。通过实验证实,进气管长度在一定范围内时,脉动燃烧是不能进行的,刍进气管长度小于或大于该长度时脉动燃烧又可进行。

因此,合理把握进气管的长度是很重要的,本设计采用D80X4的管子。

    He扯holtz型脉动燃烧机的空气阀一般采用单向膜片阀,它是脉动燃烧机中非常重要的一个部件。空

气阀设计的合理与否直接影响到脉动燃烧机的燃烧性能,甚至是能否运行。好的脉动燃烧空气阀应具备以下条件:一是良好的单向性,能够快速地开启闭从而保证燃烧所需空气的进入以及减少回流气体量。二是具有高的运行频率。只有空气阀的运行频率与脉动燃烧的震荡频率相同,才能保证脉动燃烧的正常进行。如果空气阀的运行频率偏低,则会造成脉动燃烧熄火等不稳定的现象。三是阀体必须加工简单、便于维修、使用寿命长。空气膜片阀结构示意图,

    空气阀由阀体、阀座盘、阀片以及止动盘组成。其工作原理为:进气时膜片被推向止动盘,空气通过阀座盘上的圆形孔进入阀片与阀座盘之间的空间,再经由膜片上的腰形孔及阀片与阀体之间的环形通道进入进气管;当燃烧室内的压力超过外界空气压力时,膜片被推向阀盘座,此时覆盖阀座盘上的圆形孔阻止气体回流。

    空气阀各部分的尺寸确定后就不能再随意改变,如果想改变空气进气量,只能通过调节膜片与阀座盘之间的距离(即改变膜片的移动距离)来改变。下面将讨论空气阀设计过程中应注意的原则,以使后期的调整到达理想的效果。

    设Al为空气进气管横截面面积;恕为空气膜片阀阀座盘上所有圆孔的面积总和;岛为空氕阀止动盘上腰形孔总周长与阀板周长之和乘以阀开启时阀座盘与阀片之间净间隙§q为止动盘上腰形孔总面积与止动盘和阀体内壁形成的环形通道面积之和。

    空气阀的调节过程是通过改变阀片移动间隙S的大小即改变岛完成的。这样在设计过程中,对于任何一个选定的空气阀间隙$都必须保证在4个流通面积q恕岛q中岛为最小。这是因为由给定的S『直得到的面积岛就是空气阀所能达到的最大允许流通面积。假设A3> Al(或恕A4中任一个l那么当调节空气阀间隙增大空气流通面积时,可能会发生还没有达到所设计的岛时,空气阀的流通面积就已经受到Al的限制而无法继续调大,因此在设计过程中将岛设计为最小断面,才能使空气阀具有尽可能大的调节范围,并在调节过程中达到最大设计流通面积。

    增大空气阀的最大允许流通面积岛时,旭恕q都必须同步增大。Al的同步增大不难做到,只要空气管径足够大即可满足;相反,恕的增大有许多限制。首先阀座盘上的圆孔和止动盘上的圆孔位置大小都相同,由于止动盘的大小受到阀体内壁的限制不可能无限制地增大,这样就必须在有限的止动盘上合理地配置圆孔的位置,确定圆孔的个数与直径,从而获得恕的最优值。因为这些参数不仅决定恕的大小,而且直接髟响q的大小。当恕增大时,因阀体内径保持不变,q就会相应地减少。与此同时,这些参数还影响到岛的大小。因这些参数的变化必定引起腰形孔的周长及阀板周长的变化,这样它们又反过来限制着岛的变化。为了减少气流通过空气阀的整体阻力系数,应使止动盘上腰形孔的总面积大于阀座盘内圈圆孔总面积。总之,合理地配置止动盘上圆孔的位置,确定孔的个数和直径,以获得岛的最大值是空气阀的设计关键。由岛的定义可知,要增大内需要增大踺建是增大止动盘上腰形孔的周长或止动盘的外围周长。若环发生变化,则需要增大制动盘的直径,相应的阀片直径也要增大,其质量也相应增加,阀片对脉动燃烧频率的响应时间就会延长,影响运行工况直至无法正常运行。如果采用增大间隙S的方法来增大岛则阀片的运行距离增大,同样会影响脉动燃烧机的运行稳定性。因此,需要综合考虑各方面的影响,才能设计出工作可靠的空气阀。阀片材料应具备密度小、平整、抗挠性好、热变性小等特点,才能保证其运行稳定性及使用寿命。本设计采用胶木板作为阀片材料,运行情况良好。

2脉动燃烧参数测试系统的设计

    为了研究脉动燃烧机的工作性能以及传热特性,需要对其运行过程中的一些参数进行测量。脉动燃烧过程中的湿度、压力等物理量经过传感器采集再经由变送器转换后变成了模拟电量,而计算机只能处理数字数据,因此还需要A/ D采集卡将模拟电量转换为数字数据,最后利用计算机编制的数据采集程序对燃烧装置中返回的数据进行显示与处理。本设计总共有9个参数测量点,分别为:燃烧室内压力、燃烧室温度、尾气温度、室温以及5个干燥物料(利用脉动燃烧尾气进行物料干燥时使用)的测量点。其参数采集、测试系统的设计过程主要包含两个方面:硬件配置选型与计算机测试系统软件的设计与实现。

2 1硬件配置选型

2 1. 1压力变送器的选型

    在脉动燃烧过程中,压力范围不超过20 kPa压力的动态变化频率为30~300 HrZ_间,为了能够达到绘出实时波形的要求,压力变送器的动态频率最少需达到600 H,z这是压力变送器选型的基本依据。

    经综合比较考虑,压力测量点处选择进口集成全桥硅片刻蚀而成的JYBK( D)型扩散硅压力变送器进

行测量,其特点如下:

    1)精度高,精度≤±Q 5% F$允许过载300%。

    2)稳定性好,采用进口扩散硅芯片,能长期稳定工作。

    3)变送器带温度补偿,在70℃时不影响精度。

    4)动态响应性好,响应频率为1 000Hz

    5)全不锈钢结构耐腐蚀,可靠性及耐冲击性能都比较好。

    6)变送器的测压范围是±20 kPa输出信号为4~20 mA

    压力测量点位于脉动燃烧机的燃烧室内,在燃烧过程中,燃烧室温度高达1 000—1 2000C目前所有的压力传感咬送)器都无法在如此严苛的环境下工作,因此需要设计一个特殊的结构来解决压力变送器的工作温度问题,并兼顾变送器的测量高精度和快速性。本实验装置采用的是如图3所示的半无限管式安装结构,这种结构完全解决了上述变送器工作温度的问题。

   与高温的燃烧室壁直接连接的是一段长400 rrIm +6×2的金属导管,在导管远离壁室的一段装一只特制的三通接头,三通接头的一端接了一根长10垮+4mm的软管称为半无限管。半无限管的另一端封死,变送器装在三通接头的中间接口上,取齐平安装办法。这样一方面变送器远离热源,避免过热损坏和由于热引起的误差。另一方面,在这种结构下,这根管内只有行波存在,不会产生驻波场,没有谐振效应,因此使测量感头具有平坦的频率响应特性。压力脉动波从燃烧室传到变送器,途中会有压力损失,所以在压力变送器标定时把整个半无限管感头进行实体标定,以消除压力波衰减造成的误差。变送器的输出信号通常要经过放大器放太,并经滤波器滤掉高频干扰,AD变换器,由计算机进行处理。与此同日寸,由电子示波器进行实时监控。

2 L 2温度传感器的选型

    系统布置了8个温度测量点,对于温度测量只需每隔2眍回一次测量值最后绘出测量点温度随时间变化的折线图即可。在现有脉动燃烧的研究中,有研究人员提出假说,认为温度同压力一样也会进行周期性的变化,但目前无法像压力测量对象那样绘出实时波形并进行频谱分析,这主要是受温度传感器的硬件特性所限制。

    8个温度测量点中有5个是用来测量被干燥物料的温度,物料温度一般小于500℃;尾气温度一般位于500~700℃;燃烧室温度高达1000~1200℃;室温一般不超过40℃从上面分析可得,所测量的温度值除

燃烧室测量点以外都属于中低温范围。本设计中燃烧室的温度测量采用了剐热电偶铂铑10铂热电偶,其测温范围为0~1600℃;其他7个温度测量点均采用K型热电偶。

2L3AD采集卡的选型

    本系统所选择的AD转换工具为北京双诺测控公司所生产的AC6111中速数据采集卡。AC6111采集卡的AD转换部分为12位400kHztl<j A/D转换器,多通道采集速度可以达到最大采样速度。也就是说Is内最多可采集400 000介数据,平均分配到16个通道后每个通道每秒最多采集25 000个数据。对于一般脉动燃烧机的运行频率而言,每个周期采入的数据量对于显示数据与波形绘图已经绰绰有余。

2 2测试软件编写

    测试系统的设计实际上就是一个基于平台实现的集示波器、数据采集与存储功能于一体的虚拟仪器。LabVBV(LabomtorYVirtual nstn_rnent En9nee ring)是一种图形化的编程语言,它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受,视为一2010年3月个标准的数据采集和仪器控制软件[71。-般的控制程序都包括了前面板部分与后面板程序框图部分。

    所设计测试系统可以通过自动保存计时器来设定压力值自动保存的间隔时间,每次将以Exce的形式保存500个数据,每个数据之间的时间间隔为1 00t/田当数值设定为0时,将不会保存。由于温度数据的采集速度较慢,而保存要求要高于压力数据,因此本系统所检测到的温度数据保存均采用自动保存模式,即一旦开始采样,所有的温度数据及其采入时间都会自动在后台写入E xce]表格中保存起来,直至实验结束。

    后面板程序的编写主要包括3部分:调用AD采集卡接口库函数的实现、实时采集部分代码编写及数据存储部分的代码编写。

3  脉动燃烧机性能测试系统检测结果

    通过实验确定所设计脉动燃烧机点火后可在燃气流量为3~S2m/h之间正常运行,其运行功率范围大概为75~130甄在固定尾管长度及燃气流量情况下,利用上述自行研制的脉动燃烧机性能测试系统对所设计脉动燃烧机的运行参数进行了测试。被测脉动燃烧机设计参数如表1所示,运行测试参数如

4结论

    脉动燃烧是一种燃烧与声振相耦合的燃烧过程。因此,燃烧机结构必须满足声振条件,并使燃烧压力波与放热之间满足一定的相位关系才能稳定运行。脉动燃烧机的每个部件都会对其运行情况有所影响。其中,空气膜片阀与尾管对其影响最大。合理设计空气膜片阀的流通面积,减小空气流通阻力,并合理设计尾管直径及长度,是保证脉动燃烧机稳定运行的关键。由于脉动燃烧机理的复杂性,至今仍没有可靠的设计理论,只能结合现有理论、设计经验和实验结果进行设计。随着燃烧学、流体力学、化学反应动力学等学科的发展,脉动燃烧的燃烧机理的研究将进一步发展,使脉动燃烧机的设计进入有可靠理论指导的阶段。脉动燃烧测试程序必须有足够高的响应频率才能对脉动燃烧过程进行实时的监控。各种测试仪器必须能够在较高温度的环境下工作,或者是在不影响测试准确性的情况下降低仪器的工作温度,其中燃烧室声学压力的测量是设计的关键。程序编写方面:一是需要实时显示压力波形的形状,且不能失真;二是需要对压力和温度值进行实时记录储存。


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点击次数:  更新时间:2016-12-25 18:54:33  【打印此页】  【关闭