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行业知识

往复流多孔介质生物质燃烧机的二维数值模拟与结构改进

往复流多孔介质生物质燃烧机的二维数值模拟与结构改进

摘要:对往复式惰性多孔介质生物质燃烧机进行了二维数值模拟,模型的有效性通过实验数据进行验证.在生物质燃烧机中分别填充4孔/aTI泡沫陶瓷或小球,研究其内部的燃烧温度和压力损失.结果表明,由相同材料制成但结构不同的多孔介质对生物质燃烧机内的高温区域和压力损失有显著的影响.孔隙率较大的泡沫陶瓷适合于布置在燃烧区,而孔隙率较小的小球适合于布置在热交换区域.改进生物质燃烧机结构,即在生物质燃烧机的中间布置泡沫陶瓷而在两端布置小球.对于当量比为Q 1的甲烷与空气混合气,得到了更为宽广的高温区域和适度的压力降.

    顸混气体在多孔介质中往复流动下的超绝热燃烧(reciprocating superadiabatic combustion inporous media,RSCP)是一项新兴的高效洁净燃烧技术,与传统的燃气在自由空间的燃烧相比,多孔介质明显优于气体的传热性能和蓄热能力,能够形成自我组织的逆向热回流,使得上游未燃气体得到了有效的预热,大大提高了燃烧稳定性和燃烧效率,同日寸,通过周期性的换向,进一步增强了蓄热效应,可实现极稀薄混合气或超低热值气体的稳定燃烧,而作为集燃烧区域、蓄热载体和回流功能于一体的惰性多孔介质材料本身,由于材料在孔隙率和空间结构上的差异而决定的热惯性和对流场及温度场的影响,对RSCP有至关重要的影响,因此,通过对生物质燃烧机内的多孔介质材料的优化组合,可以实现提高燃烧效率和减少压力损失的目的,

    目前,在预混气体起绝热燃烧的实验研究中,多孔介质材料多为单一规格的泡沫陶瓷‘11或小球‘2】,相应2007年6月    史俊瑞等:往复流多孔介质生物质燃烧机的二维数值模拟与结构改进的数值模拟做了很多假设,例如忽略通过生物质燃烧机壁面的热损失㈦,或采用经验公式估算㈤,忽略压力降【3-4]和弥散效应㈤等等,本文以真实的实验装置为模拟对象,将生物质颗粒燃烧机(石英玻璃管)的壁面也纳入计算域,计算其内部的导热和辐射,以准确计算通过壁面的热损失;同时考虑混合气体在生物质颗粒燃烧机中的压力降和弥散效应,建立二维双温模型,以材料相同但空间结构不同的小球和泡沫陶瓷分别作为生物质颗粒燃烧机内的填充材料时,研究燃烧温度分布和压力损失,经分析和优化组合,得到一个性能更好的生物质颗粒燃烧机,并通过实验对计算结果的有效性进行了验证.

1  物理模型

    真实的实验装置经简化得到计算模型,如图1所示,模拟的生物质颗粒燃烧机为高264 mm、内径60 mm的石英玻璃管(壁厚2 5 mm).在其外壁包裹一层保温材料(厚40 mm)以减少通过管壁的热损失,为防止回火,在燃烧器的两端对称布置12 mm厚的16孔/锄的氧化铝泡沫陶瓷,中间部分填充多孔材料为4孔/Qn氧化铝泡沫陶瓷或直径分别为4.0 mm、5.6mu和8.0 rrrn耐高温氧化铝小球,在石英玻璃的轴向对称处布置点火装置,燃气是甲烷和空气的均匀混合韧,实验中燃烧器是水平布置的,为了标注方便,图中的生物质颗粒燃烧机采用垂直布置.

2 1  控制方程

    模拟区域将生物质颗粒燃烧机壁面纳入计算域,为了简化起见,研究中作了如下假设.

    (1)整个生物质颗粒燃烧机由等直径的小球、均质的泡沫陶瓷或二者的组合均匀填充,二者均为各向同性的惰性的光学厚介质,其热物性完全相同,且在计算中取为定值.

    (2)忽略石英玻璃管的散射,热物性选为定值,并在所有边界面上的辐射符合镜面反射[q.

    (3)混合气体为理想气体,忽略气体辐射的影响,并因混合气体的流速很小,气体在多孔介质中的流动为层流.

    (4)考虑到模型为二维且气流方向需要周期性的换向,为将计算成本控制在可接受的限度内,化学反应简化为单步总包反应旧,多孔介质固体的辐射热流量采用简化模型计算,

2 3初始条件和求解

    计算采用CFD软件包FLUENT6. 1.通过FLUENT提供的标量方程和自定义函数,将多孔介质模块的单温模型修正为双温模型,分别求解气体和固体能量方程,在涉及到气体混合物的热弥散、气体组分的扩散时用到了自定义函数,从第一周期开始计算到准稳态平衡,每种工况需要往复10个以上的周期,最后一个半周期的气体、固体温度等曲线,分别与前一个周期对应的半周期的曲线重合时,认为达到准稳态平衡,故本文介绍的均为达到准稳态平衡正向半周期结束时的计算结果,

    整个计算区域划分为长度1 mm的正方形网格,并对结果进行了网格无关化检验,在填充床为小球与泡沫陶瓷的组合体时,为了防止二者孔隙率的不同而引起求解的发散,将孔隙率在二者的交界面上做了线性化处理,壁面附近流场应用壁面函数处理压力和速度的耦合采用SJMPLE算法.

3结果分析与结构改进

3 1  气体和石英管以及多7L固体的温度分布

    图2为生物质颗粒燃烧炉内气体和石英玻璃管以及多孔介质固体的温度分布,当量比为0. 204,流速Q 55 m/s,半周期15 s.由图可见生物质颗粒燃烧炉内温度分布的二维特征很朗2007年6月    史俊瑞等:往复流多孔介质生物质颗粒燃烧炉的二维数值模拟与结构改进显,尤其是靠近管壁附近,这与忽略径向热损失的一维模拟结果差异很大,在入口端,固体温度高于气体温度,预混气体得到了有效的预热.在距入口端约0. 06m处,密集且温度值最高的气体等温线代表着火焰的位置,与此相对应,以生物质颗粒燃烧炉的中心线为对称点,在下游也存在一个局部高温区,这是上半个周期火焰的位置,在两个局部高温区域之间,气体和固体温度值的相差不大,而且等温线呈现了典型的马鞍型曲线,中间部位有凹坑,这是由于径向的热量损失所致,并且该部分没有反应热来弥补热量损失,在下游,气体温度高于固体温度,部分热量又蓄积在下游,

    为了验证模型的有效性,数值模拟的结果与实验值进行了对比,图3为生物质颗粒燃烧炉轴线上的多孔介质固体温度计算值与实验值当量比为0. 204,流速Q 55 m/s,半周期为15 s.图3所示的计算值与实验值,均为达到准稳态平衡后,正向半周期结束时的温度值,实验中,RSCP从点火预热到最终的准稳态平衡,需要很长一段时剧捌,首先将RSCP置于单向流动状态,通入当量比接逅于1的燃气进行预热,然后逐步减小当量比到预定目标值,并按设定的半周期进行换向,随着周期的进行,当观察到先后两个半周期内的可视化测点的瞬时温度曲线基本重厶,且往复过程中火焰位置已经对称,则认为达到准稳态平衡,为了研究热损失对RSCP特性的影响以及生物质颗粒燃烧炉的改进,分别计算了保温层厚度为0 mm(即裸管)、40 mm(实验条件)和80 mm时的温度分布,由图3可以看出,热损失对生物质颗粒燃烧炉内的温度分布有很大的影响,保温层越厚,意味着热量损失越小,气体的最高温度相应增大,高温区域向上游和下游拓展,在生物质颗粒燃烧炉的上游,二者吻合得相当好,当气体温度达到最大值后,计算值都高于实验值且裸管与实验值更接近,另外,在实验中为了观察火焰而在保温层上开有小孔[1叫,这与数值模拟假设的生物质颗粒燃烧炉完全保温或没有保温的裸管有显著的区别.实验中,生物质颗粒燃烧炉内的多孔材料布置得并不完全对称㈣1,因此,实验得到的温度曲线的对称点并不在生物质颗粒燃烧炉的中心,而是存在着轴向位移,这也可能是造成下游实验值与数值模拟结果差异的一个原因,

3 2多子L介质材料和结构的影响

    作为填充床材料的惰性多孔介质,实验研究和数值模揪应用最广泛的是氧化铝小球和泡沫陶瓷,由不同直径的氧化铝小球或泡沫陶瓷堆积的填充床,由于孔隙率和结构上的差异,对RSCP的特性有很大的影响,如图4和图5所示,4孔/∞泡沫陶瓷作为填充材的生物质颗粒燃烧炉的燃烧情况最好,其气体反应速率最大,气体温度高温区域最宽,且最大值接近1600 K,比相应的由小球组成的生物质颗粒但是尾气温度也很高,这是由于泡沫陶瓷的孔隙率大,其热惯性比小球填充床小,作为燃烧空间,在生物质颗粒燃烧炉点火启动或负荷变化时响应时间小,虽然孔隙率小且空间的网状结构使得其导热形成的热回流相对很小,但是泡沫陶瓷丰富发达的内孔结构,在燃烧区形成的高温区域有利于形成较大的辐射热回流,因此泡沫陶瓷更适合于布置在燃烧区域,

    本文中小球填充床的孔隙率为0.4在生物质颗粒燃烧炉的单位体积内,气体所占的空间有限,化学反应区域较宽但反应速率较小,即使在反应区域,气固温度的差异也不大,填充材料为8 mm小球的生物质颗粒燃烧炉,其气体温度曲线呈现类似于三角形的形状,已经接近于可燃极限;而由4 mm和5.6mm小球组成的生物质颗粒燃烧炉,二者的气体温度几乎重厶,气体反应速率也相差不大,但在生物质颗粒燃烧炉出口处,4 mm小球的气体温度最低,因此,用小球填充床作为燃烧区域效果很差,但是其相对较大的热惯性、两相间较大的对流换热系数决定了其更适合作为蓄热的载体,

    而3种不同直径的小球堆积的填充床,由于孔隙率相对较小,相应的热惯性较大,渗透性差,因而气体在生物质颗粒燃烧炉内的流动压力损失大,如图6所示,对于4种不同方式的填充材料生物质颗粒燃烧炉内部的压力损失有很大的差异,泡沫陶瓷生物质颗粒燃烧炉内的压力损失最小,只有200Pa左右;随着小球直径的减小,压力损失在增大,但是最大值仍然小于1 400 Pa.

3 3结构改进及其结果

    通过上面的计算分析说明,孔隙率小的泡沫陶瓷适合于作为燃烧区域.而且整个生物质颗粒燃烧炉内的压力损失很小;与此相对应的小球则更适合于作为蓄热的载体,但是压力损失较大,在以上4种类型的生物质颗粒燃烧炉中,材料单一的多孔介质既作为燃烧区域,又是热量传递的载体.实际上,在以扩展贫可燃极限为主要目的往复式燃烧器中,当量比越小,反应越接近于生物质颗粒燃烧炉的中间部位,因此,在生物质颗粒燃烧炉的中间部位,布置有利于燃烧的泡沫陶瓷,而在热量蓄积和交换占主导地位的生物质颗粒燃烧炉两端,布置蓄热效果更好的氧化铝小球,可以最大限度地蓄积热量,

    根据以上分析,在改进的生物质颗粒燃烧炉两端分别布置长度为15mm、30 mm和45 mm的直径为4 0mm的小球,而中间部位布置4孔/叫的泡沫陶瓷,同时对采用单一的4孔/cm的泡沫陶瓷生物质颗粒燃烧炉进行了计算,以作对比如图7所示,在当量比为0.1的极稀薄混合气的情况下,材料单一的泡沫陶瓷的生物质颗粒燃烧炉中,高温区域出现尖点,反应集中在生物质颗粒燃烧炉的中间部位,已经接近可燃极隰而改进的3种生物质颗粒燃烧炉,在生物质颗粒燃烧炉两端的蓄热效应非常明显,在正向半周期的入口段,温度曲线非常陡峭,当两端布置的小球长度为15 mm时,在小球与泡沫陶瓷的接触面处,比没有布置小球的温度高出237 K.因此,预混气体在未达到生物质颗粒燃烧炉中间部位时已经着火,有着相对宽厂的高温区域,随着周期性的换向,反应分别在生物质颗粒燃烧炉中间部位的两侧进行,生物质颗粒燃烧炉两侧布置的小球越多,高温区越宽,两端布置15 mm和30 mm长的小球的生物质颗粒燃烧炉,高温区域有着较大的差异,但是当布置的小球长度增加为45 mm日寸,高温区域已经与30 mm的高温区域的差异不大,这也说明,并非两端布置的小球越长,改进的效果越显著,在本工况下,布置30 mm的小球是较好的方案,

    随着小球厚度的增加,压力损失也在增大,如图8所示,在布置小球的区域,压力损失几乎呈现线性关系,而在泡沫陶瓷区域,压力损失变得平缓,在两端小球为45 mm时,总的压力损失也小于550 Pa.因此在生物质颗粒燃烧炉的两端布置小球而带来的压力损失是很小自勺,而其蓄热效应却相当明显,有效地拓展了高温区域,这也预示着改进后的生物质颗粒燃烧炉可以大大拓展贫可燃极限,改进的效果是十分明显的,达到了预期的目标,2007年6月史俊瑞等:往复流多孔介质生物质颗粒燃烧炉的二维数值模拟与结构改进

    生物质颗粒燃烧炉的压力损失

    热损失和生物质颗粒燃烧炉内的填充材料对RSCP的性能有显著的影响,良好的保温使得高温区域拓宽,且最高温度相应增加,因此,对于实际的生物质颗粒燃烧炉,在不可能做到完全绝热的条件下,首先应该保证最大限度地提高燃烧器的绝热性能,然后在此基础上进行改进.同时也说明,RSCP进行二维模拟是必要的,多孔介质的空间结构和孔隙率对RSCP有着很大的影响,孔隙率较大的泡沫陶瓷适合于作为燃烧区域,而小球适合于作为蓄热材料,在生物质颗粒燃烧炉的两端布置小球,中间部位填充多孔泡沫陶瓷的方案是可行的,


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点击次数:  更新时间:2017-05-03 14:48:22  【打印此页】  【关闭