新闻中心

联系方式

地址:河南省郑州市二七区马寨产业集聚区

销售经理15638177798

销售经理13523562058

销售一部0371-55862358

销售二部0371-56761878

销售三部0371-56761879

邮箱:jieganji@126.com

网址:www.jiegankeliji.com

QQ:87260026

当前位置: 网站首页 > 新闻中心 > 行业知识
行业知识

开发微型生物质燃烧机遇到的问题和解决途径

开发微型生物质燃烧机遇到的问题和解决途径

    搞要:论述了当前微型生物质燃烧机研究所遇到的主要问题及解决的途径,介绍了国外正在研究的三种微型生物质燃烧机。这三种微型燃烧器反映了微型生物质开发和应用的良好前景。在此基础上研制了一种新翌的微型TPV燃烧系统,该系统具有热量利用效率高、制造成本低等优点。

1概述,能产生大约10~100W功率的热力生物质。由于微型生物质燃烧机的燃烧空间极小,燃烧器内的当前最好的锂化学电池的能量密度只有0.50    最高温度可达160 00c左右,常规生物质的燃烧器M J/kg,而碳氢燃料的能量密度可以达到45MJ/ kg左右。因此即使热能转化为电能的效率只有    篙料很难适应这么高的温度。其次,在微型燃烧器然烧的驻留时间也急剧缩短,很难保证燃料

10%,碳氢燃料所能提供的能量密度也是电池的10然烧。

2微型生物质燃烧机的开发研究

2.1材料与加工

    常规生物质燃烧机所用的材料一般为铸铁或铝合金,部分零件则使用钛、镍钴合金等,这些材料对温度和应力有严格的要求与限制,以至于在常规生物质中都有较强的冷却系统来降低燃烧器壁面的温度。由于微型生物质的体积很小,一般不宜再设计冷却系统,造成燃烧器的壁面温度急剧升商所以制造微型燃烧器的材料必须具有较强的耐高温性能。近几年研制的耐火陶瓷(如氮化硅(Si3N4)和碳化硅(SiC))在微尺寸范围内具有承受应力高、可适应温度范围广、机械性能以及抗几何变形能力强等优点。这正是微型生物质燃烧机的壁面材料所应具有的性能。

    常规生物质零部件的加工精度一般在毫米级上,而微型生物质一般的零部件尺寸都在10~lOOUrri级上。在如此小的基准尺寸上要保持较高的加工精度,其难度是很大的。常规的机械加工方法不能用来制造微型生物质的零部件只有使用超强等离子体的化学蒸发处理技术、深度活性离子蚀刻技术、电子放电技术、以及电化学加工技术等才能达到这样的加工精度。

2.2驻留时间

    在微型生物质燃烧机中最重要、最具有技术挑战性的一点就是如何提高和分配燃烧的驻留对间。驻留时间一般包括燃料的混合时间和化学反应所用的时间。其中,化学反应所用的时间只有几百弘s甚至更少,大部分时间都用于燃料的混合。如果将常规燃烧器的容积减小500倍,并保持相同的单位面积质量流率,那么在微型燃烧器内的驻留时间就为0. 05~0.Ims。这和碳氢燃料的化学反应特征时间(0.01~0.Ims)处于同一量级上。显然,在这么短的驻留时间内燃料的混合和燃烧都是不充分的。

    假设两者的单位面积质量流率砌/A2相同日寸,受生物质的总体尺寸的约束,压缩器的流通面积A2和燃烧器的特征长度三以及多变指数丫,基本上保持不变。因此,只有增大燃烧器相对于生物质的尺寸血,才能提高燃烧的驻留时l间从而保证燃料在燃烧器内充分燃烧。

    另一方面,也可以从减少燃料在燃烧器内的混合时间以及燃料燃烧的化学反应时间的角度来缩短燃料燃烧的驻留时间,从而使燃料在微型燃烧器内充分燃烧。例如:采取稀燃技木、提高燃烧器内的工作压力和混合气温度、以及在燃料和空气进入燃烧室前就将两者进行充分的混合等方法,都可以减少燃料的混合时间。在减少燃料的燃烧时间方面,可以采用催化燃烧或者使用燃烧时间更短的燃料,如氢气、氢水混合气等。

2.3大的面积容积比造成的传热损失

    由于微型生物质体积的缩小,使得面积一容积比急剧增大,进而造成较大的热量损失。传热损失不仅降低微型生物质燃烧机的效率而且还影响到燃料燃烧的稳定性。减少传热损失应从以下几方面来考虑:(1)降低燃烧混合气与燃烧器壁面之间的温差,可以减少由于温差传热造成热量损失。为此应尽量使用不需冷却的耐火陶瓷,提高燃烧器壁面的温度来降低两者之间的温差。(2)应用催化燃烧技术可以降低燃料的着火温度,进而可降低整个燃烧器内的温度,减少传热损失。(3)由于传热速率与气体的流速以及传热距离成正比,而与气体的运动粘度成反比,因此降低进入燃烧器的混合气的流速、合理设置燃烧火焰中心的位置以及使用适当的混合气浓度都可以降低传热速率,从而减少传热损失。

3三种微型燃烧器燃烧设计方案

3.1微型燃气轮生物质燃烧机

    图1是微型燃气轮生物质燃烧机的设计方案,包括径流式压缩器、燃烧器、径流式涡艳和启动器/电机等部伴3]。整体尺寸约为直径lcm,高3mm。该微型生物质是由六个硅基薄片逐层叠加熔合粘接而成,并根据生物质的整体结构来分别设计每个薄片的具体外形和加工尺寸。空气经压缩机压缩后与燃料进行混合,通过火焰稳定器到达燃烧器内。进行燃烧,混合气体经燃烧膨胀推动涡轮机的叶片速旋转。这样就将燃料的化学能直接转化为机械能,并通过涡轮机轴对外作功。Epstein等人以氢气为燃料所做的初步分析表明,当速度达到500m/s,压缩比为4.5:1,涡轮进气温度为1600K,进气口的面积为1  fflffl2时,该微型燃气轮机能产生10~20W的功率。

3.2微型三角转子生物质燃烧机

    图2为该微型三角转予生物质燃烧机设计示意图[ 4]。转予中心与燃烧器中心有一定的偏心距。在转子旋转的过程中,转子的三个顶点将燃烧器内腔分隔成三个封闭、独立的空间。每一空间都依次经历吸气、压缩、点火作功以及排气等四个过程,从而完成一个工作循环,即转子每转一圈在外旋轮形燃烧器中进行三个这样的工作循环。当转子的扫气半径、转子的宽度以及两轴之间的偏心距确定后生物质的其他参数(如排量、压缩比、转子最大速率等)也就确定了。初步设计的徼转予生物质的扫气容积为77. Smm3,微型燃烧器的特征长度为0.45mm,输出的功率可以达到13.9W。

4微型TPV(热光电)燃烧系统

    氢气的能量密度可以达到550M J/kg,比碳氢燃料的能量密度要高10倍,但氢气的驻留时间却是碳氢燃料的1/5~1/50[5]。针对氢气的这一特性,同时考虑到国内的机械加工水平,提出了新型的微型TPV(熟光电)燃烧系统,将燃料燃烧产生的热量转化为燃烧器的热辐射,并激活TPV材料产生电能。该系统最大的优势:(1)将大多数燃烧器中由于大的面积一容积比造成的传热损失这一不利因素转化为有利因素,可以进一步利用生物质燃烧产生的热量损失来加热微型生物质燃烧机的壁面,增大微型生物质燃烧机的热辐射,提高微型生物质燃烧器利用效率;(2)该系统不包括任何运动部件,相对于上述三种微型生物质而言其加工与装配就显得简单多了,从而可以降低整个装置的制造成因此这种微型动力装置将更具有广泛的应用前景以及较高的商业开发价值。为此着重在简易的微型管道内以氢气一空气组成的混合气为燃料进行了燃烧实验,并在此基础上对微体积内的燃烧进行更全面的模拟计算,了解和确定影响微体积内氢气燃烧的诸多因素,开发新的微燃烧器燃烧方案,从而提高氢气的燃烧驻留时间使得氢气在有限的驻留时间内实现完全燃烧,进一步提高整个微型燃烧器的效率。

5结论

    (1)微型生物质燃烧机的体积很小,燃料燃烧的温度很高,一般的金属材料都不能适应其内部的工作环境,只有选用耐高温的碳化硅材料。

    (2)微型燃烧器内燃料燃烧的完全程度与混合气体在燃烧器内的驻留时间成正向比例关系,应尽量增大燃料在其内部的驻留时间。

    (3)在其他方案中普遍存在的热量损失问题,随着体积的急剧减小,越来越成为微型燃烧器研究的瓶颈,而本文中所探讨的微型TPV系统就可以将这一不利因素转化为有利因素。

    (4)本文介绍了三种国外最新研究的微型发动机燃烧器的设计思路和方案。这三种方案为目前微型燃烧器的研究提供了经验。

更多
点击次数:  更新时间:2018-02-06 21:12:48  【打印此页】  【关闭