徐玉龍，徐江榮，丁士高，王關(guān)晴

(杭州電子科技大學(xué)能源研究所，浙江 杭州 310018)

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多孔介質(zhì)燃?xì)庠罾鋺B(tài)實驗研究

徐玉龍，徐江榮，丁士高，王關(guān)晴

(杭州電子科技大學(xué)能源研究所，浙江 杭州 310018)

摘要：在冷態(tài)條件下，對一種新型多引射旋轉(zhuǎn)預(yù)混多孔介質(zhì)燃?xì)庠钸M(jìn)行了研究.介紹了該類燃?xì)庠畹墓ぷ髟砑傲鞒?，討論了燃?xì)庠钜湮矸€(wěn)定性，詳細(xì)分析了燃?xì)饬髁颗c風(fēng)門開度對引射空氣吸卷量的影響.結(jié)果表明，燃?xì)饬髁恳欢〞r，增大風(fēng)門開度，燃?xì)庠钕到y(tǒng)恢復(fù)至穩(wěn)定所用的時間越短，燃?xì)庠羁諝馕砹繒龃螅伙L(fēng)門開度一定時，增大燃?xì)饬髁?，燃?xì)庠钕到y(tǒng)恢復(fù)至穩(wěn)定所用的時間越長，燃?xì)庠羁諝馕砹恳矔龃?

關(guān)鍵詞：多孔介質(zhì)；旋轉(zhuǎn)預(yù)混；燃?xì)饬髁浚伙L(fēng)門開度

0引言

國內(nèi)外的學(xué)者對燃?xì)庠罹咦隽撕芏嘌芯?，比如，文獻(xiàn)[1]利用粒子圖像成像技術(shù)(PIV)對3種不同家用燃?xì)庠罹?普通式大氣式燃燒器、旋流式大氣式燃燒器、輻射式燃燒器)進(jìn)行了實驗.通過比較其熱工性能，發(fā)現(xiàn)旋流式燃燒器的熱效率最高，輻射式燃燒器次之，普通大氣式燃燒器最差.文獻(xiàn)[2]對鼓風(fēng)式燃?xì)庠罹呷硷L(fēng)機進(jìn)口擋板在不同位置時的風(fēng)量和壓頭進(jìn)行了標(biāo)定，并計算出相應(yīng)位置所需的燃?xì)饬浚沟萌細(xì)庠钤诓煌β守?fù)荷下助燃風(fēng)量和燃料量的匹配得到優(yōu)化，提高了鼓風(fēng)式燃?xì)庠畹臒嵝什⒔档土宋廴疚锱欧帕?文獻(xiàn)[3]采用FLUENT軟件模擬上進(jìn)風(fēng)燃?xì)庠畹囊淠芰Σ⑴c實驗數(shù)據(jù)對比驗證，發(fā)現(xiàn)上進(jìn)風(fēng)燃燒器的引射性能對燃?xì)馊肟趬毫^為敏感，當(dāng)壓力較低時一次空氣引射性能急劇下降.

傳統(tǒng)燃?xì)庠畹娜紵绞街饕且宰杂苫鹧鏋樘卣鞯目臻g燃燒，這種燃燒方式的火焰面附近溫度梯度陡峭且分布不均勻，局部高溫使得NOx大量生成，火焰穩(wěn)定性較差，受風(fēng)的影響顯著.為提高燃?xì)庠畹娜紵裏嵝逝c降低污染物排放，本文基于多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)，自行設(shè)計了一種新型燃?xì)庠?，即多引射旋轉(zhuǎn)預(yù)混多孔介質(zhì)燃?xì)庠?所謂多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)是國際燃燒領(lǐng)域發(fā)展出的一種全新的燃燒技術(shù)，多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒放熱首先以對流和少量氣體的輻射形式傳給多孔介質(zhì)固體，多孔介質(zhì)固體又通過導(dǎo)熱和輻射向四周傳遞熱量，實現(xiàn)了熱量的回流，并對預(yù)混氣體進(jìn)行預(yù)熱，以此提高燃燒區(qū)域的燃燒強度和燃燒穩(wěn)定性，減少了CO排放.同時多孔介質(zhì)及其中的氣體與外界進(jìn)行強烈的導(dǎo)熱、對流和輻射換熱，使多孔介質(zhì)內(nèi)部溫度比較均勻，減少了NOX排放[4-6]，在一定程度上克服了傳統(tǒng)燃燒的缺點.

1實驗系統(tǒng)與方法

1.1實驗原理

燃?xì)庠罟ぷ鲿r，通入燃?xì)?，空氣通過噴嘴吸卷進(jìn)入燃?xì)庠睿諝馀c燃?xì)庠陬A(yù)混室中進(jìn)行充分預(yù)混后，進(jìn)入多孔介質(zhì)燃燒輻射器，多孔介質(zhì)燃燒輻射器下方的小孔徑多孔介質(zhì)不但能對新鮮燃?xì)膺M(jìn)行預(yù)熱，而且能夠防止火焰回火現(xiàn)象的發(fā)生，同時利用多孔介質(zhì)燃燒器結(jié)構(gòu)特性將著火火焰面穩(wěn)定在大小孔徑多孔介質(zhì)的分界層面上，并在大孔徑多孔介質(zhì)內(nèi)進(jìn)行無焰燃燒，燃燒后的熱量通過多孔介質(zhì)進(jìn)行輻射傳熱.

1.2實驗裝置

本實驗系統(tǒng)如圖1所示，其中旋轉(zhuǎn)預(yù)混多孔介質(zhì)燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)如圖2所示.本實驗系統(tǒng)共包括4個系統(tǒng)，分別是供氣系統(tǒng)，燃燒傳熱系統(tǒng)、質(zhì)量流量控制系統(tǒng)、煙氣分析系統(tǒng).實驗中采用氮氣代替甲烷，其純度為99.99%，通過額定壓力14 MPa的高壓鋼瓶供給.氮氣經(jīng)減壓閥減壓，通過質(zhì)量流量控制器之后進(jìn)入燃燒器中，空氣則是通過氮氣從噴嘴噴出時具有的動能吸卷進(jìn)入引射器.

燃燒傳熱系統(tǒng)是該燃燒器的核心系統(tǒng)，該燃燒器由預(yù)混室、兩層蜂窩陶瓷板及碳化硅泡沫陶瓷板組成.燃燒傳熱系統(tǒng)主要利用多孔介質(zhì)良好的輻射傳熱性能來進(jìn)行傳熱.

燃?xì)饬髁康淖兓瘎t是通過質(zhì)量流量控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)的.

對于多引射旋轉(zhuǎn)多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒器的煙氣采集則是利用日本的HORIBA PG-350便攜式煙氣分析儀進(jìn)行在線實時測量與數(shù)據(jù)記錄.

圖1　多引射旋轉(zhuǎn)預(yù)混多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)

圖2　燃?xì)庠罱Y(jié)構(gòu)圖

1.3實驗方法

實驗主要是確定燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定性及空氣吸卷量，主要分為兩個步驟：1)將流量調(diào)節(jié)至某一值，然后保持流量不變，通過調(diào)節(jié)風(fēng)門開度大小觀察記錄數(shù)據(jù)；2)在風(fēng)門開度一定的情況下，調(diào)節(jié)質(zhì)量流量控制器來調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁?，并記錄實驗?shù)據(jù).

風(fēng)門及風(fēng)門片如圖3所示，變化情況描述如下：將風(fēng)門中沿著空氣入口邊緣平均分為4份，風(fēng)門片處于豎直狀態(tài)時，即空氣進(jìn)口處于最大狀態(tài)，標(biāo)記為風(fēng)門1，將風(fēng)門片順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)風(fēng)門片左邊處于空氣入口均分的第一條線時，標(biāo)記風(fēng)門2，以此類推，直到風(fēng)門開度最小實驗停止.風(fēng)門開度變化如表1所示.

圖3　風(fēng)門與風(fēng)門片

風(fēng)門變化12345風(fēng)門開度/%1007550250

2實驗內(nèi)容

2.1系統(tǒng)穩(wěn)定性

2.1.1風(fēng)門開度對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

流量為5.93 L/min時，吸卷氧量隨風(fēng)門開度變化如圖4所示.從圖4可以看出，風(fēng)門開度為0%時，實驗系統(tǒng)剛開始運行，因此氧量最高，此后由于氮氣的不斷通入，空氣只能通過噴嘴的吸卷作用進(jìn)入預(yù)混室，氧量會下降.從分門開度為0%的曲線可以看出，氧量變化曲線在短時間維持穩(wěn)定，然后急劇下降，64.9 s后維持穩(wěn)定.此后增大風(fēng)門開度直至風(fēng)門開度為100%，系統(tǒng)氧量達(dá)到穩(wěn)定所需要的時間越來越短，分別是40.2 s，30.4 s，25.2 s，25.2 s，可見本實驗系統(tǒng)風(fēng)門開度越大，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需時間就越短.

2.1.2燃?xì)饬髁繉ο到y(tǒng)穩(wěn)定性的影響

風(fēng)門開度為75%，吸卷氧量隨燃?xì)饬髁孔兓鐖D5所示.從圖5可以看出，流量為6.16 L/min時，系統(tǒng)氧量變化至穩(wěn)定狀態(tài)需要34.6 s，此時氧量穩(wěn)定在19.46%，流量增大到6.28 L/min時，氧量變化至穩(wěn)定狀態(tài)的時間也是34.6 s，流量增大到6.39 L/min時，氧量變化至穩(wěn)定則需要70.3 s，此后氧量基本維持穩(wěn)定.可見固定風(fēng)門開度，增大流量會使系統(tǒng)變化至穩(wěn)定狀態(tài)的時間變長.

圖4　氧量隨風(fēng)門開度變化圖

圖5　氧量隨燃?xì)饬髁孔兓瘓D

2.2系統(tǒng)空氣吸卷量

2.2.1風(fēng)門開度對空氣吸卷量的影響

流量為6.28 L/min，不同風(fēng)門開度對應(yīng)空氣吸卷量的變化如圖6所示.在該流量狀態(tài)下，風(fēng)門開度從0%增大到100%時，空氣吸卷量是逐漸增加的，并且在每個風(fēng)門開度狀態(tài)下，系統(tǒng)穩(wěn)定后空氣吸卷量分別穩(wěn)定在66.2 L/min，69.6 L/min，74.7 L/min，78.2 L/min，84.3 L/min.當(dāng)燃?xì)饬髁恳欢〞r，通過改變風(fēng)門開度，可以改變空氣吸卷量.增大風(fēng)門開度時，吸卷量增加；減小風(fēng)門開度時，吸卷量減小.不同風(fēng)門開度對應(yīng)的空氣吸卷量變化如圖7所示.從圖7中可以看出，當(dāng)流量不變，空氣吸卷量與風(fēng)門開度大致呈線性關(guān)系，增大風(fēng)門開度，系統(tǒng)的空氣吸卷量會增大.低流量時，風(fēng)門開度對空氣吸卷量影響較大.

圖6　流量一定，空氣吸卷量隨風(fēng)門開度變化圖

圖7　　　　不同流量對應(yīng)的空氣吸卷量　　　隨風(fēng)門開度變化圖

2.2.2流量變化對空氣吸卷量的影響

風(fēng)門開度為25%時，不同流量所對應(yīng)的空氣吸卷量變化如圖8所示.從圖8中可以看出，在開度不變的情況下，流量從6.16 L/min增大至6.39 L/min，穩(wěn)定狀態(tài)下空氣吸卷量分別為69.6 L/min，70.2 L/min，70.7 L/min.不同的風(fēng)門開度下，空氣吸卷量隨著流量變化的曲線如圖9所示.從圖9中可以看出，當(dāng)風(fēng)門開度不變的情況，適當(dāng)增大流量，空氣吸卷量會增大，空氣吸卷量與流量大致呈現(xiàn)線性關(guān)系.

圖8　　　　風(fēng)門開度為25%，不同流量　　　對應(yīng)的空氣吸卷量

圖9　　　　不同風(fēng)門開度對應(yīng)的　　　空氣吸卷量變化圖

3結(jié)束語

本文在自行搭建的多引射旋轉(zhuǎn)預(yù)混多孔介質(zhì)燃?xì)庠钤囼炑b置上，對其穩(wěn)定性和空氣吸卷量進(jìn)行了研究.實驗結(jié)果表明：燃?xì)饬髁恳欢?，風(fēng)門開度變化的情況下，預(yù)混室內(nèi)平均氧氣含量隨著風(fēng)門開度的增大而增大，基本符合線性關(guān)系，其空氣量吸卷增加，系統(tǒng)變化至穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間越短；風(fēng)門開度一定，燃?xì)饬髁孔兓那闆r下，增大流量，預(yù)混室內(nèi)平均氧氣含量逐漸減小，其空氣量吸卷將增加，系統(tǒng)變化至穩(wěn)定所需要的時間就會越長.下一步將更換不同的噴嘴，進(jìn)一步探討噴嘴直徑對實驗裝置的穩(wěn)定性和吸卷效果的影響.

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Research on Cold State of Porous Media Gas Stove

XU Yulong, XU Jiangrong, DING Shigao, WANG Guanqing

(InstituteofEnergy,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

Abstract：Under cold conditions, a new multi-ejector rotation premixed gas stove porous media were studied. Based on how the gas stove works and processes, the gas stove ejector suction roll stability was discussed, and detailed analysis the influence of the gas flow and the throttle opening to the amount of air ejector priming volume. the results showed that: when keep the gas flow constant, increasing the throttle opening, gas stove system back to stability with shorter time, the gas stove will increase the amount of air suction volume; and also when keep the throttle opening constant, increasing the gas flow rate, the gas stove system back to stability with longer, the gas stove suction volume will also increase.

Key words：porous media; rotation premixed; gas-flow rate; the throttle opening

DOI：10.13954/j.cnki.hdu.2016.04.015

收稿日期：2015-10-12

基金項目：浙江省自然科學(xué)基金資助項目(LY15E060007)

作者簡介：徐玉龍(1992-)，男，河南信陽人，碩士研究生，多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)研究.通信作者：徐江榮教授，E-mail：jrxu@hdu.edu.cn.

中圖分類號：TK16

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-9146(2016)04-0071-05