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行业知识

脉动生物质燃烧机的频率特性研究

脉动生物质燃烧机的频率特性研究

    由于可控的脉动燃烧能大大提高燃烧效率和燃气的传热效率,在喷气推进、动力发电、工业炉窑、民用取暖,化工中的干燥和煅烧、各种锅炉等有明显的潜在优势。基于Higgins-Rijke热声效应的无


阀自激脉动燃烧器,因其结构简单,无运动部件,寿命可达最佳水平,最具潜在应用前景。

    脉动生物质燃烧机的频率特性对其设计和使用都有很重要的意义。非自激脉动燃烧器的工作频率取决于外界脉动源(如脉动供气)的频率,而Hehnholtz型有阀自激脉动燃烧器(如市场有售的富尔顿脉动燃


气锅炉)的频率可用Helmholtz共振腔公式计算。对于直管的Higgins-Rijke型脉动燃烧器,其频率可根据燃烧器总长,按1/2波长管公式大致估算。由于管中术  国家自然科学基金资助项目(69802010)


有冷段和热段,管中气流的平均声速只能凭经验给定,其误差随意性很大。

    由于直管的Higgins-Rij ke型无阀自激脉动燃烧器须在长径比大于10时,才能较好工作,极大地限制其推广使用。设想1 m直径的燃烧器至少10 m长。且不说需特高的锅炉房才能安装,就其工作频率


来说,约24 Hz,已接近次声,噪声对人体健康存在较大问题。为此,我们对直管的Higgins-Rijke型自激脉动生物质燃烧机进行了改进。将进气段和出气段的通气截面积,做成小于燃烧室通气截面枳,形成“


两端收口”的无阀自激脉动燃烧器。这样,使燃烧器总长与燃烧室直径之比减小到4.2时,仍能自激脉动工作[1]。为了有别于直管的Higgins-Rijke型脉动燃烧器,也为了叙述方便起见,我们把这种“两


端收口”的无阀自激脉动燃烧器称为Rijke-ZT型脉动燃烧器。直管522的Higgins-Rijke型脉动燃烧器只是Rijke-ZT型脉动燃烧器的一个特例。我们曾对Rijke-ZT型脉动燃烧器的频率特性进行过研究[2],


但未曾涉及燃气的温度分布。本文就Rijke-ZT型脉动燃烧器考虑热燃气温度分布的频率特性进行实验研究,并推导出计算这种脉动燃烧器频率的公式。

1 Rijke-ZT型脉动燃烧器的频率特性

  的实验研究

    为了研究Rijke-ZT型无阀自激脉动生物质燃烧机的频率特性,加工了4种不同收缩比的试验器(见图1)。它们的尺寸参数见表1。为今后阐述方便起见,我们称移C管段为进气段、≯B为燃烧室、≯A为出气


段。

    表1进、出气段不同收缩比的脉动试验器一览表

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┃  试验器编号  ┃No.1 ┃ No.2   ┃ No.3  ┃ No.4  ┃ No.5  ┃ No.6   ┃

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┃  4A mm       ┃4160  ┃4106    ┃西70    ┃击52    ┃击70    ┃西52    ┃

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┃  4B mm       ┃4160  ┃4160    ┃+160    ┃+160    ┃4160    ┃4160    ┃

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┃  +C mm       ┃4160  ┃4106    ┃击70    ┃击52    ┃4106    ┃4106    ┃

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┃  出气段收缩  ┃  1   ┃  0.44  ┃  0.19  ┃  0.11  ┃  0.19  ┃  0.11  ┃

┃  比4A/曲B   ┃      ┃        ┃        ┃        ┃        ┃        ┃

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┃  进气段收缩  ┃  1   ┃  0,44  ┃  0.19  ┃  0 11  ┃  0.44  ┃  0.44  ┃

┃  比西C/西B  ┃      ┃        ┃        ┃        ┃        ┃        ┃

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    根据我佃的经验和对Higgins-Rijke型热声现象的认识[3】’这种燃烧器的频率特性不受热源种类的影响。因此,我们用电加热的方法作热源,而不是用固、液或气体燃料燃烧做热源,这样热源参数


易于控制和调整。沿试验器轴向安装了10支热电偶,测量温度分布。热电偶的间距是不相等的,温度变化较大区域热电偶间距相对小些(热电偶沿轴向的安装位置见图2)。由直径为0.6 mm的镍铬镍铝丝


组成的露头铠装热电偶,动态响应很好。用YE2539高速静态电阻应变仪每隔10 s采样一次。试验器内气体脉动频率由安放在进气口处的CA-YD5,4加速度传感器拾取。讯号经电荷放大器放大后,输入双迹


阴极射线示波器,由函数发生器发出的讯号进行比较。由于Rijke-ZT型脉动燃烧器内的声波不是纯正弦波,基波上叠加了一些谐波,因此不能用通常的频率计数器直接读得主频率值。

    测得的相应温度分布见表2。测得的主频率值见表3。

    进、出气段通气截面积相同时试验器的主频率与温度分布的关系见表2中的No.1,No.2,No.3,N04,进、出口段通气截面积不同时的频率特性见表2中的No.5,No.6

  图2热电偶分布示意图

表2  各点热电偶测得的温度值

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┃            ┃    温度分布/oC                                                              ┃

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┃诫验器编号  ┃HOO   ┃H01   ┃H02   ┃H03   ┃H04   ┃H05   ┃H06   ┃H07   ┃H08   ┃H09   ┃

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┃  No.1     ┃ 56   ┃ 59   ┃ 77   ┃ 83   ┃112   ┃178   ┃ 271  ┃ 95   ┃ 34   ┃ 24   ┃

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┃  No.2     ┃  76  ┃  80  ┃  82  ┃  84  ┃  109 ┃  167 ┃  356 ┃  83  ┃  29  ┃  21  ┃

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┃  No.3     ┃  89  ┃  93  ┃  96  ┃  99  ┃  107 ┃  224 ┃  237 ┃  136 ┃  34  ┃  22  ┃

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┃  No.4     ┃ 75   ┃ 87   ┃ 93   ┃ 95   ┃139   ┃ 233  ┃244   ┃135   ┃ 29   ┃ 21   ┃

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┃  No.5      ┃  82  ┃  99  ┃  107 ┃  121 ┃  125 ┃  182 ┃  404 ┃  107 ┃  36  ┃  23  ┃

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┃  No.6     ┃  50  ┃  76  ┃  78  ┃  82  ┃  98  ┃  131 ┃  376 ┃  80  ┃  31  ┃  23  ┃

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表3实验用Rijke-ZT生物质燃烧炉的实测频率与计算频率对比表

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┃  试验器编号  ┃No.1   ┃ No.2  ┃ No.3  ┃ No.4  ┃ No.5  ┃ No.6  ┃

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┃实测基频/Hz   ┃ 113.3  ┃ 86.9   ┃ 60 l   ┃ 46.8   ┃ 75.3   ┃ 71 1   ┃

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┃计算频率/Hz   ┃ 111.2  ┃ 83.0   ┃ 59.6   ┃ 45.8   ┃ 74.3   ┃ 68.4   ┃

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┃  误差/%     ┃  1.9   ┃  4.5   ┃  0.8   ┃  2.1   ┃  1.3   ┃  3.8   ┃

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2 Rijke-ZT型脉动生物质燃烧炉的频率公式

    图3是用来推导Rijke-ZT型无阀自激脉动生物质燃烧炉工作频率的示意图。

    将该生物质燃烧炉划分为4个区域I,II,III,IV。严格地讲,工质空气从进气口1进入生物质燃烧炉后,温度在不断变化。在热源处空气接受大量热量而使温度达到最

Rijke-ZT型脉动生物质燃烧炉的频率特性研究

3讨论

    为了考核本文推导的频率计算公式(12)和(13)的适用性,我们还用过去实验中得到的数据与用式(12)和(13)计算的结果进行比较。一组是燃煤的Rijke-ZT型脉动生物质燃烧炉,一个是燃油的多管Rijke-ZT


翌脉动燃烧器,它们的尺寸见表4。计算的结果和测得的频率值列于表5。

表5燃煤、燃油Rij ke- ZT燃烧器的实测频率与计算频率对比表

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┃  燃烧器编号  ┃  燃煤1   ┃  燃煤2   ┃  燃煤3   ┃  燃油l   ┃

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┃  实测基频/Hz ┃    70    ┃    60    ┃    75    ┃    30    ┃

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┃  计算频率/Hz ┃    70.0  ┃    62.3  ┃    78.2  ┃    30.5  ┃

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┃    误差%     ┃    O     ┃    3.8   ┃    4.3   ┃    L7    ┃

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    从表3和表5看出,在不同的结构尺寸和不同的热源条件下,式(12)和(13)均能较好地计算Rijke-ZT型无阀自激脉动燃烧器的谐振基频,误差均在5Vo以内。

    需要指出的是,由于进气段、燃烧室和出气段中气流的温度沿轴向是变化的,在取平均温度时可能引入一些误差,所幸的是,用式(12)或【13)计算频率时,引入的少量误差几乎不影响频率计算值。


我们以试验器编号No.2为例进行了计算,当死- 150。时,计算频率为83.03 Hz,当疋改变为1400和1600(其他参数均不变),计算频率分别为83.01 Hz和83.05 Hz,我们认为该试验器的主频为83 Hz是


足够准确的,其误差在0.6Vo,工程上已足够用。

    值得注意的是,这绝不是说温度分布对频率计算没有影响。相反,从式(12)和(13)看出,温度分布形成的~/凳,√凳,√凳等等对谐振频率产生直接髟响。我们又以试验器编号No.2为例进行了计


算。在几何参数不变的条件下,将温度分布取用燃油脉动燃烧器的。计算结果表明,谐振基频从83 Hz上升到107 Hz。由于声速与工质温度有关,因此温度升高必导致谐振频率的提高,这是可以理解的。

4结论

    (1) Rijke-ZT型自激脉动生物质燃烧炉的工作基频不仅与其形状和尺寸有关,而且与工质在生物质燃烧炉内的温度分布有密切关系。

    (2)当Rijke-ZT型燃烧器的工质温度分布分段用其算术平均值来处理时,用公式(12)计算所得主频与实际测得的工作基频的误差在5Vo以内,能满足工程使用要求。

    (3) Rijke-ZT型自激脉动燃烧器的工作基频只与其形状、尺寸和温度分布有关,而与热源的性质(燃煤、燃油或电加热等)无关。


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点击次数:  更新时间:2017-02-17 16:26:05  【打印此页】  【关闭