產品詳情
達冠生物質燃燒傳熱
摘要：去耦室是脈動達冠生物質燃燒機的重要部件，除降低燃燒噪聲外，其另一作用是保證尾管出口聲學邊界條件，維持整個達冠生物質燃燒機的運行性能。在一臺無閥自激脈動達冠生物質燃燒機尾部建立了去耦室壓力控制系統通過調節引風機前的閥門開度來改變去耦室內部壓力即尾管出口壓力大?。ㄕ{節范圍10～10 kPa），實驗研究了去耦室壓力變化對脈動達冠生物質燃燒機尾管傳熱的影響。結果表明：當去耦室壓力高于或低于大氣壓力時|尾管中的傳熱系數均能提高，而去耦室壓力為負值吼尾管傳熱系數相對較高；燃燒室壓力幅值的大小和速度比的大小均能反映傳熱系數的高低。
脈動燃燒的應用技術是通過脈動達冠生物質燃燒機來實現的，它的一個顯著特點就是尾管傳熱系數非常大，通常能達到常規達冠生物質燃燒機的2～5倍[2]。傳熱會改變尾管內煙氣的溫度分布，進而影響脈動機理而掌握尾管傳熱的機理，能夠優化高傳熱系數脈動燃燒器的設計，使脈動燃燒系統的換熱器更緊湊。目前，國內外這方面研究普遍側重于用運行頻率、脈動壓力振幅和平均流速來對尾管的傳熱特性進行闡述‘3。卅，缺乏從去耦室壓力對尾管傳熱特性影響方面的探索和思考。從脈動達冠生物質燃燒機原理上看，尾管出口處壓力脈動振幅應為零，但實際研究發現燃燒器運行中仍會有一定的聲能從這里輻射出來，去耦室的聲學特性必將影響到達冠生物質燃燒機的運行特性。因此，研究去耦室壓力對脈動燃燒特性的影響有利于合理地解釋脈動燃燒、傳熱現象，進而準確地理解脈動燃燒機理。
本文在自激脈動達冠生物質燃燒機實驗臺尾部建立了去耦室壓力控制系統通過調節引風機前的閥門開度來改變去耦室內部壓力大小，使壓力在 10～10 kPa之間變化，實驗研究了去耦室壓力變化對脈動燃燒器尾管傳熱的影響。
1 實驗系統裝置
1 1達冠生物質燃燒機的結構
本實驗系統的核心為一臺無閥白激脈動燃燒器，它主要由混合室、燃燒室、點火器、尾管組成。為了在實驗過程中能夠觀察到燃燒室內的燃燒狀況，分別在混合室的端部和燃燒室的側面安裝了石英玻璃視鏡，如圖1、圖2所示。其中尾管長度為1- Im，內徑0 026 m。
與傳統的H elmholtz型脈動達冠生物質燃燒機的區別在于：在空氣和燃料的進口通道上取消了膜片式（或簧片式）的單向閥，燃料和空氣非預混供給采用連續供氣的方式保證脈動燃燒，不存在因閥門開啟和關閉時序上的差異造成注入混合室或燃燒室內反應物混合比的脈動問題，它是反應物流量的脈動導致的周期性燃燒放熱過程在實現強化燃燒的同時還保證了燃燒的穩定，能夠擴大燃燒參數的調整范圍。由于整個結構減少了活動部件從而不僅提高了設備使用壽A，也降低了運行噪聲。
1 2達冠生物質燃燒機的工作原理
燃氣和空氣通過供氣裝置和風機，經噴口垂直進入混合室，以使混合均勻。在混合室昀尾部（通向燃燒室的一側），脈沖點火器將混合氣體點燃。燃燒伴隨著放熱使燃燒室內的壓力上升，當壓力大于混合室內的壓力時，燃燒室內熱燃氣進入混合室。由于燃氣和空氣噴口截面與回流氣體流速平行，且其截面積都很小，阻力很大，而噴口前的壓力較大，從而有效消除了倒流至供氣裝置中的可能，熱燃氣只能沿尾管向后流動、膨脹排出，由此，燃燒室內的壓力隨之下降。當燃燒室壓力下降到低于混合室出口壓力時，新的空氣和燃氣又重新進入燃燒室。與此同日寸，由于沿尾管高速流動氣流的慣性作用，在燃燒室內形成一定的負壓，使部分燃燒產物從尾管回流到燃燒室，并與新吸入的燃氣和空氣在燃燒室內壓縮混合，使燃燒室內壓力回升，并被熱燃氣加熱，自動地被上一周期殘留下的火焰點燃，燃燒、放熱，開始了新一周期的燃燒排氣過程。這種周期性的燃燒過程自行循環，不再需要點火。
1 3去耦室控制系統
脈動燃燒是脈沖式的爆燃，在脈動達冠生物質燃燒機運行時，會發出很大噪聲，燃燒室的脈動氣流是主要噪聲源。同時，脈動燃燒耦合性很高，當尾部聲學條第1 1期翟明等：去耦室壓力變化對脈動達冠生物質燃燒機尾管傳熱的影響 2701。件發生改變時，必然會對脈動達冠生物質燃燒機運行特性產生影響。為控制燃燒噪聲和尾部聲學條件隨機波動，必須設置去耦室。去耦室的另一個作用是：保持尾管出口壓力穩定，避免外界壓力變化影響燃燒狀態，確保燃燒穩定地脈動。
本實驗去耦室控制系統如圖3所示，主要由去耦室、風機和閘閥等組成。為實現降低噪聲、減少尾管出口壓力波動的目a<J,通常要求去耦室體積是燃燒室的5倍以上，且越大越好。本實驗中的去耦室容積約是燃燒室的88倍，滿足實驗要求。
由圖3可知，風機的通風量一部分為脈動燃燒器的煙氣流量，從閘閥1進入；一部分來自外界空氣，從閘閥2進入。在不改變風機運行狀態的條件下，開大閘閥1、關小閘閥2，則風機對去耦室的抽吸作用加大，從而導致去耦室內部壓力降低為負壓；關小閘閥1、開大閘閥2，則風機對去耦室的吸作用減小，同時增大了排煙的局部阻力，從而使得去耦室內部壓力升高為正壓。因此，通過調節閘閥1和閘閥2的開度大小，可實現改變去耦室內部壓力的目的。參照匪力傳感器測得的壓力值，可其調至預期壓力。實驗中，去耦室壓力的變化調節范圍為 10～10 kPa。
1 4測量儀表
熱電偶，S型，上海虹天儀表廠；壓力傳感器為擴散硅壓阻式傳感器，PCM300,南京沃天科技有限公司；流量計為浮子流量計，LZ B-10、LZB-40,浙江余姚市工業自動化儀表廠。為了盡可能地減小測量儀表對脈動達冠生物質燃燒機內流場的影響，除尾管進出口處熱電偶測中心溫度外，其余測點近壁面設置。煙氣分析儀，DH-9003，南京分析儀器廠有限公司，用于煙氣成分分析，并以此計算過量空氣系數、校正流量計的誤差。實驗數據由專用的工控機采集卡（PCL-818LS，臺灣研華科技股份有限公司）實時采集，采集頻率最高可達40 kHz。
2實驗結果
實驗在同一燃氣流量、同一過量空氣系數下進行，對尾管采用水冷。計算過程中，壁面溫度按等壁溫處理，測得壁溫約為90 0Co
根據式(1)和表1可得尾管傳熱系數的測量值。尾管傳熱系數隨去耦室壓力的變化如圖4所示。由圖可知，去耦室壓力為負壓時，尾管傳熱系數先隨去耦室壓力降低而升高，在 6 kPa附近達到峰值，比去耦室壓力接近0時的大約提高了28‰之后，隨去耦室壓力降低而降低；去耦室壓力為正壓時，尾管傳熱系數先隨去耦室壓力升高而高在6 kPa附近達到峰值，比去耦室壓力接近0時的大約提高了95%，之后，又隨去耦室壓力升高而降低。從圖4可以看出，整體趨勢是：去耦室壓力為負值時，尾管傳熱系數相對較高。
3 結果分析
3 1去耦室壓力對燃燒室壓力、頻率的影響
燃燒室壓力的大小決定了尾管入口壓力的大小。如圖5所示去耦室壓力為負壓時，燃燒室壓力幅值隨去耦室壓力降低而升高，在6 kPa附近到峰值，之后，隨去耦室壓力降低而降低；去耦室壓力為正壓時，燃燒室壓力幅值隨去耦室壓力升高而降低，在4～6 kPa時隨去耦室壓力升高而升高，之后，又隨去耦室壓力升高而降低。由圖5可縱看出，去耦室壓力為負值時，燃燒室壓力幅值較大。
達冠生物質燃燒機運行頻率隨去耦室壓力的變化如圖6所示。由圖可知，去耦室壓力為負壓時，運行頻率隨去耦室壓力降低而降低，在 6 kPa處達到最小值，之后，隨去耦室壓力降低而升高；去耦室壓力為正壓時，燃燒室壓力幅值隨去耦室壓力升高而升高，在6 kPa附近又突然降低，之后，又隨去耦室壓力升高而升高。
對比圖5、圖6可知，運行頻率的變化趨勢與燃燒室壓力幅值的變化趨勢正好相反。表明壓力振幅越大，氣體膨脹和壓縮時所需的時間就會越長，從而使得頻率越低；壓力振幅越小，則氣體膨脹和壓縮時所需的時間就會越短，從而使得頻率越大。
對照圖4和圖5，可以看出兩圖曲線的趨勢基本一致，說明壓力幅值的大小可以反映傳熱系數的大小。
3 2去耦室壓力對速度比的影響
脈功燃燒中，速度比丫是指氣體的脈動速度與平均氣體流速的比值，它是表征傳熱系數大小的重要參數
氣體的脈動速度比氣體本身的平均流速要大，會使氣體在一定時間內形成逆流，增加了邊界層的剪切力；同時，正向流動時，瞬時速度也遠大于平第1 1期翟明等：去耦室壓力變化對脈動達冠生物質燃燒機尾管傳熱的影響 2703。均流速。在這兩種影響的作用下，可以產生遠大于平均Reynolds數下應有的擾動程度，從而削弱了熱邊界層的厚度，強化了傳熱。因此速度比越大，氣體擾動越劇烈，越有利于傳熱【10-171。
具有Helm holtz共振結構的達冠生物質燃燒機，其聲學特性近似為線性的，均方根壓力P rm。與速度振幅即脈動速度直接相關，這一現象己被Dec等”調所證實。對于聲學共振波，壓力的峰值Pma對應著脈動速度的峰值，即式(3)描述的是尾管出口處的最大速度脈動值；然而，速度脈動沿尾管上游按正弦衰減陽。那么，沿尾管長度對脈動速度積分即可得氣體脈動速度平均值
實驗中使用雨烷為燃料，空氣為氧化劑。為簡化計算，把空氣視為20 9%的氧氣和79. 1%的氮的混合物。丙烷在空氣稍有過剩時極易燃燒完全，故不考慮可能存在的非完全燃燒物，可將燃燒產物看成由氮氣、二氧化碳、水蒸氣和過量空氣組成的混合氣體
聯立式(2)～式(9)即可得各工況的速度比。速度比隨去耦室壓力的變化如圖7所示。去耦室壓為為負壓時，速度比隨去耦室壓力降低而升高，在 6kPa處達到峰值，之后，隨去耦室壓力降低而降低；去室壓力為正壓時，速度比隨去耦室壓力升高而降低，在6 kPa附近又突然增大，之后，又隨去耦室壓力升高而降低。去耦室壓力為負值時，速比相對較大。
4結論
本文研究了去耦室壓力對燃氣脈動達冠生物質燃燒機尾管傳熱的影響。通過調節去耦室控制系統的閘閥開度大小，達到預期的壓力，在不同去耦室壓力下進行實驗、測量、計算，得到以下結論。
(1)去耦室壓力為負壓時，尾管傳熱系數隨去耦室壓力降低而升高，在 6 kPa附近達到峰值，比去耦室壓力接近0時的大約提高了28%，之后，隨去耦室壓力降低而降低。
(2)去耦室壓力為正壓時，尾管傳熱系數隨去耦室壓力升高而升高，在6kPa附近達到峰值，比去耦室壓力接近0時的大約提高了9 5%，之后，又隨去耦室壓力升高而降低。
(3)去耦室壓力無論正負均能提高尾管的傳熱系數，但負值時傳熱系數相對較高。
(4)燃燒室壓力幅值的大小和速度比的大小均能反映傳熱系數的高低。
生物質燃燒機，http://www.jiegankeliji.com
生物質氣化站，http://www.598jx.com
摘要：去耦室是脈動達冠生物質燃燒機的重要部件，除降低燃燒噪聲外，其另一作用是保證尾管出口聲學邊界條件，維持整個達冠生物質燃燒機的運行性能。在一臺無閥自激脈動達冠生物質燃燒機尾部建立了去耦室壓力控制系統通過調節引風機前的閥門開度來改變去耦室內部壓力即尾管出口壓力大?。ㄕ{節范圍10～10 kPa），實驗研究了去耦室壓力變化對脈動達冠生物質燃燒機尾管傳熱的影響。結果表明：當去耦室壓力高于或低于大氣壓力時|尾管中的傳熱系數均能提高，而去耦室壓力為負值吼尾管傳熱系數相對較高；燃燒室壓力幅值的大小和速度比的大小均能反映傳熱系數的高低。
脈動燃燒的應用技術是通過脈動達冠生物質燃燒機來實現的，它的一個顯著特點就是尾管傳熱系數非常大，通常能達到常規達冠生物質燃燒機的2～5倍[2]。傳熱會改變尾管內煙氣的溫度分布，進而影響脈動機理而掌握尾管傳熱的機理，能夠優化高傳熱系數脈動燃燒器的設計，使脈動燃燒系統的換熱器更緊湊。目前，國內外這方面研究普遍側重于用運行頻率、脈動壓力振幅和平均流速來對尾管的傳熱特性進行闡述‘3。卅，缺乏從去耦室壓力對尾管傳熱特性影響方面的探索和思考。從脈動達冠生物質燃燒機原理上看，尾管出口處壓力脈動振幅應為零，但實際研究發現燃燒器運行中仍會有一定的聲能從這里輻射出來，去耦室的聲學特性必將影響到達冠生物質燃燒機的運行特性。因此，研究去耦室壓力對脈動燃燒特性的影響有利于合理地解釋脈動燃燒、傳熱現象，進而準確地理解脈動燃燒機理。
本文在自激脈動達冠生物質燃燒機實驗臺尾部建立了去耦室壓力控制系統通過調節引風機前的閥門開度來改變去耦室內部壓力大小，使壓力在 10～10 kPa之間變化，實驗研究了去耦室壓力變化對脈動燃燒器尾管傳熱的影響。
1 實驗系統裝置
1 1達冠生物質燃燒機的結構
本實驗系統的核心為一臺無閥白激脈動燃燒器，它主要由混合室、燃燒室、點火器、尾管組成。為了在實驗過程中能夠觀察到燃燒室內的燃燒狀況，分別在混合室的端部和燃燒室的側面安裝了石英玻璃視鏡，如圖1、圖2所示。其中尾管長度為1- Im，內徑0 026 m。
與傳統的H elmholtz型脈動達冠生物質燃燒機的區別在于：在空氣和燃料的進口通道上取消了膜片式（或簧片式）的單向閥，燃料和空氣非預混供給采用連續供氣的方式保證脈動燃燒，不存在因閥門開啟和關閉時序上的差異造成注入混合室或燃燒室內反應物混合比的脈動問題，它是反應物流量的脈動導致的周期性燃燒放熱過程在實現強化燃燒的同時還保證了燃燒的穩定，能夠擴大燃燒參數的調整范圍。由于整個結構減少了活動部件從而不僅提高了設備使用壽A，也降低了運行噪聲。
1 2達冠生物質燃燒機的工作原理
燃氣和空氣通過供氣裝置和風機，經噴口垂直進入混合室，以使混合均勻。在混合室昀尾部（通向燃燒室的一側），脈沖點火器將混合氣體點燃。燃燒伴隨著放熱使燃燒室內的壓力上升，當壓力大于混合室內的壓力時，燃燒室內熱燃氣進入混合室。由于燃氣和空氣噴口截面與回流氣體流速平行，且其截面積都很小，阻力很大，而噴口前的壓力較大，從而有效消除了倒流至供氣裝置中的可能，熱燃氣只能沿尾管向后流動、膨脹排出，由此，燃燒室內的壓力隨之下降。當燃燒室壓力下降到低于混合室出口壓力時，新的空氣和燃氣又重新進入燃燒室。與此同日寸，由于沿尾管高速流動氣流的慣性作用，在燃燒室內形成一定的負壓，使部分燃燒產物從尾管回流到燃燒室，并與新吸入的燃氣和空氣在燃燒室內壓縮混合，使燃燒室內壓力回升，并被熱燃氣加熱，自動地被上一周期殘留下的火焰點燃，燃燒、放熱，開始了新一周期的燃燒排氣過程。這種周期性的燃燒過程自行循環，不再需要點火。
1 3去耦室控制系統
脈動燃燒是脈沖式的爆燃，在脈動達冠生物質燃燒機運行時，會發出很大噪聲，燃燒室的脈動氣流是主要噪聲源。同時，脈動燃燒耦合性很高，當尾部聲學條第1 1期翟明等：去耦室壓力變化對脈動達冠生物質燃燒機尾管傳熱的影響 2701。件發生改變時，必然會對脈動達冠生物質燃燒機運行特性產生影響。為控制燃燒噪聲和尾部聲學條件隨機波動，必須設置去耦室。去耦室的另一個作用是：保持尾管出口壓力穩定，避免外界壓力變化影響燃燒狀態，確保燃燒穩定地脈動。
本實驗去耦室控制系統如圖3所示，主要由去耦室、風機和閘閥等組成。為實現降低噪聲、減少尾管出口壓力波動的目a<J,通常要求去耦室體積是燃燒室的5倍以上，且越大越好。本實驗中的去耦室容積約是燃燒室的88倍，滿足實驗要求。
由圖3可知，風機的通風量一部分為脈動燃燒器的煙氣流量，從閘閥1進入；一部分來自外界空氣，從閘閥2進入。在不改變風機運行狀態的條件下，開大閘閥1、關小閘閥2，則風機對去耦室的抽吸作用加大，從而導致去耦室內部壓力降低為負壓；關小閘閥1、開大閘閥2，則風機對去耦室的吸作用減小，同時增大了排煙的局部阻力，從而使得去耦室內部壓力升高為正壓。因此，通過調節閘閥1和閘閥2的開度大小，可實現改變去耦室內部壓力的目的。參照匪力傳感器測得的壓力值，可其調至預期壓力。實驗中，去耦室壓力的變化調節范圍為 10～10 kPa。
1 4測量儀表
熱電偶，S型，上海虹天儀表廠；壓力傳感器為擴散硅壓阻式傳感器，PCM300,南京沃天科技有限公司；流量計為浮子流量計，LZ B-10、LZB-40,浙江余姚市工業自動化儀表廠。為了盡可能地減小測量儀表對脈動達冠生物質燃燒機內流場的影響，除尾管進出口處熱電偶測中心溫度外，其余測點近壁面設置。煙氣分析儀，DH-9003，南京分析儀器廠有限公司，用于煙氣成分分析，并以此計算過量空氣系數、校正流量計的誤差。實驗數據由專用的工控機采集卡（PCL-818LS，臺灣研華科技股份有限公司）實時采集，采集頻率最高可達40 kHz。
2實驗結果
實驗在同一燃氣流量、同一過量空氣系數下進行，對尾管采用水冷。計算過程中，壁面溫度按等壁溫處理，測得壁溫約為90 0Co
根據式(1)和表1可得尾管傳熱系數的測量值。尾管傳熱系數隨去耦室壓力的變化如圖4所示。由圖可知，去耦室壓力為負壓時，尾管傳熱系數先隨去耦室壓力降低而升高，在 6 kPa附近達到峰值，比去耦室壓力接近0時的大約提高了28‰之后，隨去耦室壓力降低而降低；去耦室壓力為正壓時，尾管傳熱系數先隨去耦室壓力升高而高在6 kPa附近達到峰值，比去耦室壓力接近0時的大約提高了95%，之后，又隨去耦室壓力升高而降低。從圖4可以看出，整體趨勢是：去耦室壓力為負值時，尾管傳熱系數相對較高。
3 結果分析
3 1去耦室壓力對燃燒室壓力、頻率的影響
燃燒室壓力的大小決定了尾管入口壓力的大小。如圖5所示去耦室壓力為負壓時，燃燒室壓力幅值隨去耦室壓力降低而升高，在6 kPa附近到峰值，之后，隨去耦室壓力降低而降低；去耦室壓力為正壓時，燃燒室壓力幅值隨去耦室壓力升高而降低，在4～6 kPa時隨去耦室壓力升高而升高，之后，又隨去耦室壓力升高而降低。由圖5可縱看出，去耦室壓力為負值時，燃燒室壓力幅值較大。
達冠生物質燃燒機運行頻率隨去耦室壓力的變化如圖6所示。由圖可知，去耦室壓力為負壓時，運行頻率隨去耦室壓力降低而降低，在 6 kPa處達到最小值，之后，隨去耦室壓力降低而升高；去耦室壓力為正壓時，燃燒室壓力幅值隨去耦室壓力升高而升高，在6 kPa附近又突然降低，之后，又隨去耦室壓力升高而升高。
對比圖5、圖6可知，運行頻率的變化趨勢與燃燒室壓力幅值的變化趨勢正好相反。表明壓力振幅越大，氣體膨脹和壓縮時所需的時間就會越長，從而使得頻率越低；壓力振幅越小，則氣體膨脹和壓縮時所需的時間就會越短，從而使得頻率越大。
對照圖4和圖5，可以看出兩圖曲線的趨勢基本一致，說明壓力幅值的大小可以反映傳熱系數的大小。
3 2去耦室壓力對速度比的影響
脈功燃燒中，速度比丫是指氣體的脈動速度與平均氣體流速的比值，它是表征傳熱系數大小的重要參數
氣體的脈動速度比氣體本身的平均流速要大，會使氣體在一定時間內形成逆流，增加了邊界層的剪切力；同時，正向流動時，瞬時速度也遠大于平第1 1期翟明等：去耦室壓力變化對脈動達冠生物質燃燒機尾管傳熱的影響 2703。均流速。在這兩種影響的作用下，可以產生遠大于平均Reynolds數下應有的擾動程度，從而削弱了熱邊界層的厚度，強化了傳熱。因此速度比越大，氣體擾動越劇烈，越有利于傳熱【10-171。
具有Helm holtz共振結構的達冠生物質燃燒機，其聲學特性近似為線性的，均方根壓力P rm。與速度振幅即脈動速度直接相關，這一現象己被Dec等”調所證實。對于聲學共振波，壓力的峰值Pma對應著脈動速度的峰值，即式(3)描述的是尾管出口處的最大速度脈動值；然而，速度脈動沿尾管上游按正弦衰減陽。那么，沿尾管長度對脈動速度積分即可得氣體脈動速度平均值
實驗中使用雨烷為燃料，空氣為氧化劑。為簡化計算，把空氣視為20 9%的氧氣和79. 1%的氮的混合物。丙烷在空氣稍有過剩時極易燃燒完全，故不考慮可能存在的非完全燃燒物，可將燃燒產物看成由氮氣、二氧化碳、水蒸氣和過量空氣組成的混合氣體
聯立式(2)～式(9)即可得各工況的速度比。速度比隨去耦室壓力的變化如圖7所示。去耦室壓為為負壓時，速度比隨去耦室壓力降低而升高，在 6kPa處達到峰值，之后，隨去耦室壓力降低而降低；去室壓力為正壓時，速度比隨去耦室壓力升高而降低，在6 kPa附近又突然增大，之后，又隨去耦室壓力升高而降低。去耦室壓力為負值時，速比相對較大。
4結論
本文研究了去耦室壓力對燃氣脈動達冠生物質燃燒機尾管傳熱的影響。通過調節去耦室控制系統的閘閥開度大小，達到預期的壓力，在不同去耦室壓力下進行實驗、測量、計算，得到以下結論。
(1)去耦室壓力為負壓時，尾管傳熱系數隨去耦室壓力降低而升高，在 6 kPa附近達到峰值，比去耦室壓力接近0時的大約提高了28%，之后，隨去耦室壓力降低而降低。
(2)去耦室壓力為正壓時，尾管傳熱系數隨去耦室壓力升高而升高，在6kPa附近達到峰值，比去耦室壓力接近0時的大約提高了9 5%，之后，又隨去耦室壓力升高而降低。
(3)去耦室壓力無論正負均能提高尾管的傳熱系數，但負值時傳熱系數相對較高。
(4)燃燒室壓力幅值的大小和速度比的大小均能反映傳熱系數的高低。
生物質燃燒機，http://www.jiegankeliji.com
生物質氣化站，http://www.598jx.com
