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行业知识

多孔介质回热微生物质燃烧机的扩散燃烧

多孔介质回热微生物质燃烧机的扩散燃烧

摘要:设计了多孔介质回热微生物质燃烧机.进行了微生物质燃烧机的扩散燃烧特性实验研究,得到了其燃烧效率、出口尾气温度、壁面温度和热损失率随燃烧热功率和过量空气系数的变化规律.实验发现,在较宽的操作范围内,微生物质燃烧机具有较高的燃烧效率和出口尾气温度,而且随着燃烧功率和过量空气系数的增大,微生物质燃烧机的壁面温度和热损失率反而减小.分析表明,采用回热夹层和多孔介质相向的进气方式,使得反应气体的流动方向与散热方向相反,有效回收了热量损失,提高了微生物质燃烧机的热效率和出口尾气温度.所设计的多孔介质回热微生物质燃烧机对开发微燃烧透平发电系统具有重要应用价值.

    徽燃烧透平系统[1-2]由于具有能量密度高、体积微小等优点,可作为微动力系统为微型飞行器、微小卫星等提供动力,或者作为微型电源为单兵作战系统或便携电子设备等提供电能,因此,微燃娆透平发电系统在军用、民用领域都具有重要的现实意义,是学术界研究的热点问题之一.微生物质燃烧机是微燃烧透平(50706046, 51176174):河南省高等学校青年骨干教师资助计划项目;国家杰出青年基金资助曹海亮等:多孔介质回热微生物质燃烧机的扩散燃烧系统的关键部件.随着尺度的减小,微生物质燃烧机的表面积体积比∞/功却反比增加,导致微生物质燃烧机的热损失相应地增大‘3].在早期的实验研究‘41中,微生物质燃烧机的热损失非常大,甚至超过70%,燃烧产生的热能仅有少量转换为电能,导致微燃烧透平系统的热电转换效率很低‘5].因此,开发热效率高、操作范围宽、热损失小的微生物质燃烧机是开发微燃烧透平发电系统的关键.

    多孔介质燃烧是一种新颖的燃烧方式,一些学者进行了多孔介质的预混燃烧研究[6-7].当反应气体经过多孔介质材料时,与比热容较大的多孔材料之间进行换热,大幅度提高自身热焓,实现超绝热燃烧,因此多孔介质燃烧具有燃烧效率高、燃烧强度高的优点.因此,笔者结合了多孔介质燃烧的优点开发了新型多孔介质回热微生物质燃烧机.

    在基于微燃烧的微动力系统中,厘米级的外形体积导致了气体通道非常短小,在较低的雷诺数下和较短的微小通道内,燃料与空气的混合非常困难,因此,目前学者进行的微燃烧的实验研究大都避开了燃料和空气混合的问题,而采用预混进气考察微小尺度下微生物质燃烧机的预混燃烧特性[8-10].另一方面,受微燃烧室的加热,在微通道内气体温庋被显著提高,燃料的最小熄火界限拓宽,预混气体在微燃烧室前的气体通道内就可能燃烧.基于以上两种因素,本实验设计了空气和氢气分别进气的新型微小多孔介质回热燃烧器,进行了微小尺度下氢气的扩散燃烧特性的实验研究.

1  多孔介质回热微生物质燃烧机的结构和实验系统

1.1  多孔介质回热微生物质燃烧机的三维结构

  微生物质燃烧机的三维结构如图1所示,其外径为@30 mm,高度为11 mm,氢气通过周向均布的3根内径为痧1.5 mm的不锈钢管进入氢气环室,然后通过0.4 mm的环形间隙(氢气喷嘴)喷入燃烧室.空气通过周向均布的3根内径为痧1.5 mm的不锈钢管进入间隙为0.5 mm的回热夹层,然后通过上下两块多孔介质板相向喷入燃烧室,并与氢气混合,实现扩散燃烧.微燃烧室的高度为5 mm,外径为21 mm.在微燃烧室内的氢气喷嘴处安装一点火电极,通过高压放电实现点火.燃烧后的尾气通过痧2.5 mm的尾气出口喷出微生物质燃烧机.为了防止空气从多孔介质板的中心区域直接短路流出生物质燃烧机,强化空气和氢气的混合湍动程度,多孔板采用不同孔隙率的梯级分布,靠近中心区域的多孔介质板的孔隙率较小,而靠近氢气环形喷嘴的多孔介质板的孔隙率较大.微生物质燃烧机的材料为不锈钢(OOCr17N114M02).多孔介质板则采用泡沫镍板.

1.2实验系统

    图2是多孔介质回热微生物质燃烧机燃烧的实验装置系统示意,整个实验系统由气体质量流量控制系统、多孔介质回热微生物质燃烧机、数据采集系统和尾气成分分析系统组成.氢气和空气分别经过精密减压阀和精密质量流量控制器进入微生物质燃烧机,氢气和空气的质量流量测量均选用D07-19A型质量流量控制器,测量精度均为±1% F.S.氢气质量流量控制器的量程为1SLM,为了适应较大的空气质量流量测量范围,采用量程分别为5 SLM和10 SLM的两块质量流量控制器并联来测量空气的质量流量.数据采集系统主要用来测量微生物质燃烧机的出口尾气温度、生物质燃烧机外壁面温度和外界环境温度.实验采用美国Omega公司K型热电偶丝点焊于微生物质燃烧机的前后端面和环型侧面,用于测量微生物质燃烧机的外壁面温度,热电偶丝的直径为0.254 mm,其测量精度为±0.5 K.在微生物质燃烧机的尾气出口孔中心,距端部1 mm处布置了一根K型热电偶来测量出口尾气温度,该热电偶固定在二维坐标机上进行热电偶的精确重复定位测量.实验测量的壁面温度和尾气温度通过Agilent 34970A数据采集仪采集后存储在计算机中.尾气成分分析系统包括气体采样管、微型真空泵、干燥器、气体采样袋、

2实验数据处理气相色谱仪组成.燃烧后的尾气由微型真空泵抽出经干燥器干燥后收集于气体采样袋中,采用GC-14C型岛津气相色谱仪对生物质燃烧机的出口尾气进行成分分析.

    根据氮平衡原则,确定微生物质燃烧机的燃烧效率77。为实验测量了氢气和空气的体积流量,分别为VH、VAir进而可求出氢气、空气的质量流量和过量空气系数,即/T/H、/T/Ai,、甜.热损失是考察微生物质燃烧机热性能的一个重要指标,整个微生物质燃烧机的热损失包括微燃烧器外壁面与外界环境之间的自然对流热损失Qn。和辐射热损失Qr两部分.根据测量的外壁面温度来计算自然对流散热和辐射散热,由于生物质燃烧机壁面温度分布不均匀,生物质燃烧机各个表面的自然对流散热量和辐射散热量采用平均壁面温度来求解,各自壁面的对流换热系数为

    对多孔介质回热微生物质燃烧机进行了氢气流量分别为4.136xl0-4 g/s.5.791xl0-4 g/s、7.445 xl0-4g/s、8.273 xl0。4g/s下的微燃烧实验研究,完全燃烧时所对应的燃烧热功率为50W、70 W、90 W和100 W.对每一种氢气流量,进行了不同过量空气系数下的燃烧实验测量,得到了燃烧效率、出口尾气温度、燃烧室壁面温度和热损失率随过量空气系数、燃烧热功率的变化规律.

    经冷凝和干燥后的采样尾气主要成分为氢气、氧气和氮气,通过气相色谱仪分析可得到各自的体积分数,进而求出各自的质量分数w(H)、w(0)、w(N).

3.1燃烧效率

  燃气透平的轮轴功率与燃烧室中气体工质的质量流量和出口温度成正比.为了提高微透平发电系统的轮轴功率和轮轴效率,对于一定质量的燃料,微燃烧器应该具有较高的燃烧效卒、出口尾气温度和较宽的燃烧运行界限,但这三者又互为制约.在微小尺度下,燃料在燃烧室内的停留时间和燃烧反应时间处于同一量级,停留时间过短将会导致燃料来不及燃烧而降低燃烧效率.对于一定质量的燃料,过量空气系数过高,导致燃气质量流量过大,缩短了气体在微燃烧室中的停留时间,从而降低了微生物质燃烧机的燃烧效率和出口尾气温度,最终降低了透平轮轴功率和轮轴效2011年10月曹海亮等:多孔介质回热微生物质燃烧机的扩散燃烧率;过量空气系数过小,虽然可保证较高的燃烧效率和出口尾气温度,但会相应减小燃气的质量流量,降低透平的轮轴功率,同时过高的尾气温度会降低透平叶片材料的强度,从而导致透平转子的破坏.因此,必须找出微生物质燃烧机合适的燃烧操作范围.

    图3是微生物质燃烧机的燃烧效率77。随燃烧热功率P和过量空气系数甜的变化曲线,从图中可以看出,当过量空气系数凹<1.0时,燃烧效率低于100%,说明氢气没有完全燃烧.当过量空气系数位于1.5<凹<4.0时,4种工况下的燃烧效率几乎均为100%.对于燃烧功率为100 W、过量空气系数甜为4.5时,微生物质燃烧机的燃烧效率仍然可达到98%.说明微生物质燃烧机具有较高的燃烧效率和较宽的完全燃烧界限.当过量空气系数大于4.5时,燃烧效率开始逐渐下降.因此,所设计的微生物质燃烧机在较宽的燃烧范围内具有较高的燃烧效率,尤其是在较高的过量空气系数下,氢气和空气在微生物质燃烧机仍然能够完全燃烧.

3.2出口尾气温度

    对于微燃烧透平发电系统,燃烧室出口尾气温度是决定燃烧透平效率高低的主要因素,尾气温度越高,微透平效率越高,系统的热电转换效率也越高,因此获得较高的燃烧室尾气温度是微生物质燃烧机设计和运行的主要目的.但另一方面,微燃烧室的出口尾气温度不能过高,其受到微透平材料的制约.对于转速为几万甚至几十万转的高速旋转的微透平转子,由离心力引起的拉应力非常大.高温下,金属材料的许用应力将显著下降,这样势必降低微透平转子工作的安全性.因此,微燃烧室出口尾气温度过高将会大大降低透平叶片材料的强度,不利于微透平的高速运转,严重时甚至会烧坏叶片.综合两方面因素可知,微燃烧室的尾气温度应在满足叶片强度的前提下尽可能地提高,这样才能在保证叶片强度的前提下,尽可能地提高微透平效率.笔者所设计的微燃烧透平系统的微透平转子的外径为14 mm,在设计转速为lxl05 r/min时,根据等厚度叶轮强度理论可求出微透平转子的最大应力为17.44 MPa,仍小于316不锈钢在1000 K温度下的许用应力22 MPa,因此,微燃烧室出口尾气温度选为1000K比较理想.

图4是不同燃烧热功率P下微生物质燃烧炉出口尾气温度Tout陋过量空气系数甜的变化关系.可以看出,随着燃烧热功率P的增大,微生物质燃烧炉的出口尾气温度随之增大,当过量空气系数为1.2时,生物质燃烧炉出口气体温度达到最高,随着过量空气系数的继续增大,出口尾气温度开始逐渐降低.当燃烧热功率为100 W、过量空气系数为1.2时,微生物质燃烧炉的出口温度可达到1372 K.早期设计的微生物质燃烧炉的实验研究‘4]得到,回热型微生物质燃烧炉在分别进气条件下,当燃烧热功率为52.2 W时,最高出口尾气温度约为916 K;燃烧热功率为64.7 W时,出口尾气温度为1 005 K.本实验中,燃烧热功率为50W时,出口尾气温度已经达到1093 K,燃烧热功率为70 W时,出口尾气温度达到了1250 K.比较可知,采用回热夹层回热技术和多孔介质板相向进气组织方式的多孔介质回热微生物质燃烧机的出口尾气温度较原回热型微生物质燃烧炉约提高200 K左右,因此,所设计的多孔介质回热微生物质燃烧炉具有较高的热性能,可显著提高生物质燃烧炉的出口尾气温度,从而提高微燃烧透平发电系统的轮轴效率.这主要是因为多孔介质回热微生物质燃烧炉采用了回热夹层和多孔介质过滤燃烧的燃烧方式,空气经回热夹层和多孔介质板时,吸收了微燃烧室向外的散热,提高了自身的温度和热焓,同时臧少了微燃烧室的向外散热,起到了保温作用,有效减少了热量损失,使得更多的热量用来加热燃气.因此,相同燃烧功率下,多孔介质回热微生物质燃烧炉的出口尾气温度有明显提高.另外,从图4中还可以看出,设计燃烧功率为100 W时微生物质燃烧炉的出口尾气温度在甜=4.0时达到1000 K左右,为最佳的燃烧运行工况.3.3外壁面温度 图5是微生物质燃烧炉的燃气出口侧外壁面温度Tw随半径尺的分布、燃烧热功率P和过量空气系数甜的变化关系.从图中可以看出,在同样的燃烧热功率时,随着过量空气系数从1.0增大到4.0,微生物质燃烧机的外壁面温度持续降低,当燃烧热功率为100 W、过量空气系数为凹= 4.5时,外壁面的平均温度较低,仅为460 K,较其出口尾气温度低500 K左右.因此可看出,当燃烧热功率较高时,在保证有较高的出口尾气温度条件下,可获得较低的壁面温度,这样可尽可减少微生物质燃烧炉的壁面热损失.另外,从图中可以看到一个奇怪的现象:随着过量空气系数的增大,燃烧热功率较高的外壁面温度下降幅度越大,甜从1.0增大到2.5的过程中,燃烧功率为100 W、90 W的外壁面温度逐渐靠近70 W时的外壁面温度;当甜达到3.0时,90 W、100 W时的外壁温度甚至低于70 W的外壁面温度;当甜在3.5~4.5之间时,100 W时的外壁面温度反而低于90 W的外壁面温度,而且均低于70 W的外壁面温度,且逐渐趋于50 W的外壁面温度;当过量空气系数5.0<凹<6.0时,微燃娆器的外壁面温度的分布趋于正常.

 对于所设计的微生物质燃烧炉,在一定过量空气系数范围内,燃烧热功率高的外壁面温度反而较低,这一现象对于设计微燃烧透平发电系统来说是令人欣喜的.在高过量空气系数下,燃烧热功率较高时,微燃烧器的外壁面温度反而更低,其相应的向外热损失也越小,意味着有更多的燃烧热能将转化为燃气的热能,将会明显提高微燃烧透平发电系统的轮轴效率,因此所设计的微生物质燃烧炉炉在高燃烧热功率和高过量空气系数时具有较好的热性能.

3.4热损失率

 将微生物质燃烧炉炉向外界环境的自然对流散热Qn。和辐射散热Qr的总和与燃烧热功率P的比值定义为燃烧热损失率,即是微生物质燃烧炉炉的热损失率7710ss随燃烧热功率P和过量空气系数甜的变化关系,从图中可以看出,当燃烧功率一定时,随着过量空气系数的增大,微燃烧器的外壁面温度先开始增大,微生物质燃烧炉炉的热损失也逐渐增大.当过量空气系数超过1.2后,随着过量空气系数的增大,微生物质燃烧炉炉的热损失开始逐渐减小.当燃烧热功率为50W、甜=1.2时,微生物质燃烧炉炉的最高热损失为38.26%,较早期回热型微生物质燃烧炉炉‘41在52.28 W时的热损失率70%大犬降低,说明多孔介质回热微燃烧器的热损失明显减少,意味着有更多的热量转化为燃气的热能.

 另外从图中可以明显看出,燃烧热功率越高,微生物质燃烧炉炉的热损失反而越小.对于设计燃烧热功率为100 W,微生物质燃烧炉炉的最大热损失率仅为34.8%,当凹= 4.0时,微生物质燃烧炉炉的热损失率仅为7.91%.因此,所设计的微生物质燃烧炉炉具有较低的热损失率,特别是在高过量空气系数下,微生物质燃烧炉炉的热损失率非常小,意味着将有更多的燃烧热用于提高燃气的热焓和温度,因此,采用多孔介质回热微生物质燃烧炉炉将会显著提高微燃烧透平发电系统的热电转换效率.

3.5温度场分析

    多孔介质回热微生物质燃烧炉炉具有较高的燃烧效率和出口尾气温度,而且随着燃烧热功率和过量空气系数的增大,微生物质燃烧炉炉的外壁面温度和热损失率反而越低,这种现象是与其特殊的设计结构和气流组织方式密切相关的.采用Fluent6.3商业软件对多孔介质回热微生物质燃烧炉炉内的微小尺度燃烧进行了数值模拟,图7是在燃烧热功率P= 100W、过量空气系数甜=3.0工况下微生物质燃烧机炉内部的温度场等值线图和矢量图.从图中可以看出,由于微燃烧室的上下两侧添加了不同孔隙率的多孔俞质板,空气进入0.5 mm宽的回热夹层中,分别绕上下两层多孔介质板相向向内进入微燃烧室.氢气从0.4 mm宽的氢气喷嘴狭缝喷出后,上下喷射的空气进行混合,形成了稳定的燃烧高温区.部分燃烧热量经多孔介质板、回热夹层和生物质燃烧炉炉外壁向外散失,此方向与空气相向向内的流动方向刚好相反,这种特殊的气流流动组织方式是导致微燃烧器在高燃烧热功率和高过量空气系数下的外壁面温度和热损失率反而更低的主要原因.从温度场等值线图可明显看出,在微燃烧室内部一侧将近2.5 mm高的区域内,燃气温度从1800 K左右的高温骤然下降到600 K左右,说明在此区域内形成了较大的温度梯度.空气经上下两层多孔介质平板后相向进入微燃烧室,其流动方向刚好与微生物质燃烧机炉的损失热量传递方向相反,在较小的区域内形成了一层空气薄膜,产生了较大的温度梯度,起到了隔热保温的作用,明显降低了燃烧热量的向外散失.而且燃烧热功率和过量空气系数越高,空气流量越大,温度梯度越大,向外散失的热量越少,所以在高过量空气系数和高燃烧热功率时,微生物质燃烧炉炉的外壁面壁温和热损失率反而越低.  另外空气经回热夹层和多孔介质板时,会回收微物质燃烧机炉的部分向外散热,提高了自身的热焓,实现了过量焓燃烧方式,明显提高了燃烧反应速率和燃烧效率,因此在较宽的燃烧操作范围内,微生物质燃烧炉炉具有较高的燃烧效率.随着过量空气系数的增大,空气流量逐渐增大,空气回收的热量也相应增多,导致微燃烧器的热损失率逐渐降低.因此,由于微生物质燃烧炉炉采用了回热夹层和多孔介质板相向进气的气流组织方式,明显降低了微生物质燃烧炉炉的壁面温度和热损失,而且随着燃烧热功率和过量空气系数的增大,壁面温度和热损失反而越小,说明所设计的多孔介质回热微生物质燃烧机炉具有燃烧效率高和热损失率低的优点.

4结论

    设计了一种微型多孔介质回热生物质燃烧炉炉,进行了其扩散燃烧特性实验研究,考察了燃烧热功率和过量空气系数对微生物质燃烧炉炉的燃烧效率、出口尾气温度、燃烧器外壁面温度和热损失的影响.

    (1)所设计的微生物质燃烧炉炉在较宽的过量空气系数范围内具有较高的燃烧效率,而且具有较高的出口尾气温度,能够满足微燃烧透平发电系统的需要.燃烧热功率P= 100 W、甜=4.0时,微生物质燃烧机炉的尾气温度达到1 000 K,是微燃烧透平发电系统较为理想的运工况.

    (2)微生物质燃烧炉炉具有较低的外壁面温度,而且在一定的燃烧界限内,燃烧热功率越高,过量空气系数越大,微生物质燃烧炉炉的外璧面温度越低.对于燃烧热功率P= 100 W、甜=4.0时,微生物质燃烧机炉的外壁面温度仅为475 K左右.

    (3)微生物质燃烧炉炉是一种低热损生物质燃烧炉炉,燃烧热功率越高,过量空气系数越大,微生物质燃烧炉炉的热损失率也越低,对于燃烧热功率P =100 W、甜=4.0时,微生物质燃烧炉炉的热损失率仅为7.91%.

    (4)对微生物质燃烧炉炉内部温度场的分析表明,由于采用了回热夹层回热技术和多孔介质板相向的进气组织方式,使得多孔介质回热微生物质燃烧炉炉在高燃烧热功率和高过量空气系数下表现出良好的热性能,所设计的微生物质燃烧炉炉是一种燃烧效率高、操作范围宽、热损失率低的微型生物质燃烧炉炉,是开发微透平发电系统理想的燃烧器.


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点击次数:  更新时间:2017-03-18 17:33:07  【打印此页】  【关闭