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行业知识

生物质燃烧机的热声不稳定

生物质燃烧机的热声不稳定

烧器为直径40 mm管长1066 mm的不锈钢圆管,下端封闭,上端开口;致密堇青石材质的多孔介质稳燃体位于燃烧器1/4管长处,甲烷与空气的预混气体在稳燃体上方燃烧形成平面火焰作为加热热源.试验发现Rike预混燃烧器的燃烧温度和热声不稳定强度都随功率的变化而线性变化获得的声压级位T-  132~143 dB另外,Riike预混燃烧器内热声不稳定的主峰频率几乎不受功率的影响,但幅值为最大峰值一半时的高频率和低频率之差随着功率的增大而不断减小,说明燃烧功率越大日寸.热声不稳定的声能就越集中T主峰频率.

    熟声不稳定是现代燃气轮机、火箭发动机、汽车发动机等设备的常见现象【11,即设备工作过程中,发动机内部空间存在大振幅的压力振荡,伴随着强烈的噪声,热声不稳定是燃料燃烧过程中火焰的热释放脉动与燃烧室固有的声学脉动之间耦合造成的一种燃烧不稳定现象,其产生的条件为著名的瑞利准则:当燃烧热释放脉动与燃烧室声场的相位一致时,燃烧室内的压力振荡被不断加强,最后形成稳定的大振幅压力振荡,

    近年来,热声不稳定的利与弊吸引了全世界进行广泛的研究,在低温领域热声不稳定现象被应用于制冷领域【2。1,成功地开发出相关的制冷设备,但是,这些研究采用热端j令端诱发的热声振动,属于热驱动型,与传统意义上的热声不稳定有较大的区别,Chat te rje@5]在其论文中对这一点作了分析讨论,在燃烧领域,一方面,人们想利用热声不稳定开发出高效的脉动燃烧技术;另一方面,人们追求有效地控制燃烧过程的热声不稳定,不管是利用热声不稳定以增加燃烧效率,还是控制燃烧设备的热声不稳定,都需要深入研究燃烧热声不稳定的内在机理,研究影响燃烧热声不稳定的强度和频率的相关参数,国外的研究文献较多,如AnnaslvatnY6].Canpos_Del9ad67】,Laxw18].Nor419]等的论文,在国内,南京大学韩飞等【1 0。1”研究了Riik~中的非线性,认为非线性源主要是热释放和管口声辐射;中科院声学所朱永波等¨副研究了Riik~中热源位置和温度参数对发声频谱的影响,得到了R iike管中的瞬态发声特性和热源饱和现象;浙江工业大学陈福连等[13研究了一种新型脉动生物质燃烧机的频率特性,认为热声振荡频率与燃料种类无关;上海电力大学任建兴等‘11研究了一种新型Ri嗜的热塬位置、进口流速、温度梯度和气体密度等参数对声场强度的影响,获得的声压级为70~80 dB

    笔者在此基础上搭建了R iike预混生物质燃烧机热声不稳定试验台架,区别于前人采用电加热丝作为热源,使试验过程更接近实际设备,同时也增加了试验的复杂性,试验研究了不同燃烧功率对预混生物质燃烧机内热声不稳定强度和频率的影响,获得的声压级为132~143 dB

1试验装置

    图1为自行设计建造的R iike预混生物质燃烧机热声不稳定研究试验台架的系统图.Rijk颚混生物质燃烧机为直径40 rrrn管长1 066 rrrn的不锈钢圆管,管壁厚度为4mm没有保温层;生物质燃烧机下端封闭,上端开口,致密堇青石材质的多孔介质稳燃体位于生物质燃烧机下端1/4管长处,甲烷与空气预混气体在稳燃体上方燃烧作为加热热源,,Ⅱ到B为s/LJ热电偶,精度为Q 25%;压力传感器安装在标高546 mm处,其精度为Q 5%.温度传感器的温度信号由HP3 4970A主机配合HP 34908A模块进行采集,其精度均为6位半,压力信号的采集是本试验开展的难点所在,为保证采集得到的信号不失真,引进了HP VXI系列的高性能多通道数据采集系统,系统主机为HP VXIE8401A数据采集模块为HPE1432A肉建8通道并行采样通道,每个通道的采样频率为51 200样本/s使用A9ilent VEE开发了高速连续并行的实时数据采集程序,经实际应用,该程亭能稳定高效地运行,

    试验工况见表l试验过程中同时调节空气和甲烷的流量以改变系统的燃烧热功率断算功率时,在标准状态下,取甲烷热值为34 000 kj/nf).在调节流量的同日寸,使得化学当量比接近l以保证燃烧较完全,

2试验结果及分析

2 1压力振荡波形

    图2给出了各个工况下压力振荡波形,由于数据采集系统采集所得的教据量非常庞大(25 600样本/◇,所以,每个工况待其燃烧温度稳定后,测量其稳定的压力振荡,由图2可见,各个工况的压力振荡均匀,没有突变现象;振荡的正向振幅和负向振幅存在微弱的不对称性,其压力振荡的平衡值不是0卑这一现象是由于动态压力传感器在供电电压偏差和高能点火器点火时产生的瞬间电磁场造成的零输入电压值造成的,另外,Rijk颚混生物质燃烧机内热声不稳定的压力振荡幅值随着功率的增大而不断增大,工况5稳定的极限周期振荡(1nit cYcle oscillation)见图2(岛此压力振荡波形是直接通过直线相连的数据点表示的,没有采用任何其他拟合,这说明本试验引进的高速动态数据采集系统和自行开发的高速连续数据采集程序是可行的,试验捕捉到的压力振荡波形没有失真,另外,从图2008年8月李国能等:变功率下R iike预混生物质燃烧机的热声不稳定

2 2频谱分析

    图3给出了各个工况下压力振荡的频谱图,声音是一种物质波,是在弹性介质(气体、液体和固体)中传播的压力、应力、质点运动等的一种或多种变化,一般情况下,气体介质中声能的大小通过压力幅值来表示,由于声压的变化范围很大,所以采用声压的对数标度,转换关系为L一20 l09(p/B l I,的单位为分贝(扭l哟声压幅值,B为参考声压,国际上统一采用R=2×10-s P矗151.从图3可见,R汰颚混生物质燃烧机内热声不稳定的压力振荡幅值随着功率的增大而不断增时间,s)工况2f)工况5的极限周期振荡大,主峰的频率值变化不大,除主频率振荡以外没有其他明显的不稳定振荡.在主频率左右两侧可见幅值有很小的不稳定峰,但幅值较小,可基本忽略,暂时不予以研究,这主要是由于主频率振荡幅值随着功率的增大而不断增大,没有出现饱和现象,所以生物质燃烧机的声场从热源获得的能量几乎全部转化为主频率的声能.

2 3定量分析

    表2给出了各个工况的燃烧温度T(B处温度值r位于火焰稳燃体上方20 mm)、频谱分析的主峰频率f幅值为最大峰值一半时的高频率和低频率之差(定义为半峰频宽鸯它表示了声能在主峰频率附近的集中程度)和平均压力幅值p由表2可以看到,试验获得的热声不稳定的声压级为132~143 dB

    图4给出R iik颚混生物质燃烧机的燃烧温度、平均压力幅值、主峰频率和半峰频宽4个参数随功率的变化趋势,由图4(a)可见,燃烧温度随着功率的增大而不断增大,试验最小的燃烧功率为164 W获得的燃烧温度为722 K最大的燃烧功率为408 W获得的燃烧温度为943 K燃烧温度的增大主要是由于Riik颚混燃烧器内有更多甲烷与空气的预混气体的燃烧,从而释放更多的熟量,导致燃烧区域的温度不断上升,由图4(b)可见,Riik颚混生物质燃烧机内热声不稳定强度随着功率的增大而不断增大,试验最小的燃烧功率为164W获得的平均压力幅值为83 5 Pa对应的声压级为132 4dB最大的燃烧功率为408 W获得的平均压力幅值为267 6 Pa对应的声压级为142 5 dB平均压力幅值是由R iik颚混生物质燃烧机的热释放脉动与声场之间的相互关系所决定的.R iik颚混生物质燃烧机是一个非线性系统其非线性源要有火焰的热释放和管口的声辐射【1”.R iike预混生物质燃烧机内声场一边从火焰面获得热量,从而不断加强声能;另一方面声场在管口处不断地发射声音,从而不断削弱声能,功率的增加导致火焰面有更多的热量转化为声能同时生物质燃烧机管口的声辐射强度也不断增大,最终的结果是从火焰面获得的声能与管口辐射损失的声能达到平衡,从而进入极限周期振荡的状态,此时的极限周期振荡幅值与低功率时的极限周期振荡幅值相比有较大的增加,具体的数学解释可见参考文献『11].由图4(9可见,各个工况下R iik颚混生物质燃烧机内的热声不稳定的主峰频率几乎不变,在燃烧功率为164 W 215 W 28g W和351 W日寸,热声振荡的主峰频率均为450 H,z在燃烧动率为408W时,声振荡的主峰频率稍有增加,为456 H,z增加幅度非常小,这说明了不同的加热功率对Rike预混燃烧器热声不稳定的主峰频率几乎没有影响,功率不是决定燃烧系统热声不稳定频率的参数,进一步分析图3可以发现不同功率下热声不稳定频谱图的主峰有所不同,主要的区别在于主峰在频率上的宽度不一样,为便于分析,取幅值为最大峰值一半时的高频率和低频率之差,定义为半峰频宽鸯从而获得了半峰频宽6随功率的变化趋势,其趋势见图4(c).6随功率的增加不断下降,在燃烧功率为164 W日寸,8—56 Hz在燃烧功率为408 W时,6—13 Hz另外,当燃烧功率为215 W时半峰频宽泻28gW时的半峰频宽阱目差不大,分别为25 Hz26 Hz这种变化趋势反映了Riik颚混燃烧器内热声不稳定在大功率时声能越来越集中于主峰频率,这是本试验获得的一个重要结论,另外,此时R iike预混生物质燃烧机内的热声不稳定为3阶热声不稳定‘1q,其频率在450 Hz右.

(a)功率·温度曲线

(b)功率压力曲线

    (c)功率一频率曲线

图4  温度、压力和频率与功率的关系

    图4(a)和(b)的线性拟合公式分别为温度T-591. 7+0 87×P p=- 25.7+0. 71×P相关系数R分别为0. 993和Q 994平均误差£分别为8.2 K和5.9P争最大误差8m。。分别为12.4 K和10. 8 Pa相关系数贿邑反映两个变量之间相互的关系,表征其线性度.功率韫度、功率压力的拟合结果的相关系数R都在Q 99以上,这充分说明了变量和自变量具有良好的线性度,也就是说,R iik颚混生物质燃烧机内的燃烧温庋和热声不稳定强度都是随着功率的变化而线性地变化的,这是试验获得的重要结论,另外,在更低功率或更高功率的情况下,此线性关系是否仍成立,还有待试验的验证,在本试验台架上,当化学当量比接近1时,比164 W更小的加热功率,或比408 W更大的加热功率,系统都不能维持持续的燃烧.

3结  论

    (1) Rike预混生物质燃烧机内的燃烧温度介于722~943 K热声振荡声压级位于132~143 dB燃烧温度和热声不稳定强度都是随着功率的变化而线性地变化,线性拟合结果为:T一59L 7+Q 87×P p-

  25. 7+0. 71×P

    (2) Rike预混生物质燃烧机内热声不稳定的主峰频率几乎不受功率的影响,介于450~456 Hz极限周期振荡的波形光滑,除主频率振荡以外没有其他明显的不稳定振荡.

    (3)在声压频谱图中,幅值为最大峰值一半时的高频率和低频率之差随着功率的增大而不断减小,说明燃烧功率越大时,热声不稳定的声能就越集中于主峰频率,


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点击次数:  更新时间:2017-03-05 17:39:48  【打印此页】  【关闭