王海健，徐江榮，沈 敏,王關(guān)晴，凌忠錢

(1.杭州電子科技大學(xué)能源研究所，浙江 杭州 310018；2.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

多引射多孔介質(zhì)燃?xì)庠铧c(diǎn)火特性研究

王海健1，徐江榮1，沈 敏1,王關(guān)晴1，凌忠錢2

(1.杭州電子科技大學(xué)能源研究所，浙江 杭州 310018；2.中國計(jì)量大學(xué)計(jì)量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

對(duì)多引射旋轉(zhuǎn)預(yù)混多孔介質(zhì)燃?xì)庠铧c(diǎn)火燃燒過程進(jìn)行了研究.采用非接觸式紅外熱像儀對(duì)多孔介質(zhì)燃?xì)庠畋砻婀腆w輻射溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，并通過熱電偶對(duì)其進(jìn)行了校核，分析了多孔介質(zhì)燃?xì)庠畋砻鏈囟确植家约拔廴疚锱欧诺倪^程.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：紅外熱像儀測量得到的燃?xì)庠畋砻婀腆w溫度與熱電偶測量結(jié)果相對(duì)誤差小于1.5%，數(shù)據(jù)吻合較好；表面溫度分布逐漸趨于均勻，表面最高溫度與最低溫度的差值逐漸減小，當(dāng)燃燒穩(wěn)定時(shí)，其差值減小到73 ℃左右并保持穩(wěn)定，同時(shí)煙氣中CO與NOX濃度排放較低.

多孔介質(zhì)；燃?xì)庠?；紅外測溫；溫度分布

0 引 言

近年來，國內(nèi)外設(shè)計(jì)者不僅對(duì)民用燃?xì)庠罹哐b置結(jié)構(gòu)布置方式、選用材質(zhì)、加熱方式等方面進(jìn)行了大量改進(jìn)，而且對(duì)各自設(shè)計(jì)燃?xì)庠罹哐b置的熱效率、煙氣污染物排放進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和理論研究.比如，文獻(xiàn)[1]對(duì)鍋底面到火孔位置進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，火焰到鍋底距離過大時(shí)，熱效率低，煙氣中CO濃度較低，但NOX濃度增加；距離過小時(shí)，煙氣中CO濃度較大，燃燒不充分；而距離在一個(gè)理想位置時(shí)，可使熱效率有所提高.文獻(xiàn)[2]用相同的方法研究了燃燒的火焰高度，得出了最大限度提升燃燒效率的火焰高度.文獻(xiàn)[3]對(duì)民用燃?xì)庠铧c(diǎn)燃后煙氣中CO生成量與空氣雷諾系數(shù)關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究.發(fā)現(xiàn)煙氣中CO的含量隨著空氣雷諾系數(shù)增加具有先增加而后逐步減少的趨勢.文獻(xiàn)[4-6]通過試驗(yàn)的方法確定了家用燃?xì)庠畹脑O(shè)計(jì)參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化家用燃?xì)庠罹邿峁ば阅艿哪康?，并測定分析鍋架高度對(duì)CO生成量及熱效率的影響.結(jié)果表明，在一定程度上，鍋架高度越高，煙氣中CO含量越低，熱效率也越低；反之，則兩項(xiàng)都偏高.上述表明，國內(nèi)外研究主要是針對(duì)自由空間燃燒火焰的燃?xì)庠罹哌M(jìn)行研究，有關(guān)多孔介質(zhì)燃?xì)庠钐匦缘难芯肯鄬?duì)較少.本文對(duì)多引射多孔介質(zhì)燃?xì)庠铧c(diǎn)燃特性進(jìn)行了研究，采用紅外熱像儀對(duì)燃?xì)庠罹咻椛浔砻鏈囟确植歼M(jìn)行了實(shí)時(shí)測量，并通過熱電偶對(duì)其進(jìn)行了校核，分析了點(diǎn)火啟動(dòng)過程中，多孔介質(zhì)燃?xì)庠罹弑砻鏈囟确植寂c污染物排放變化過程，為深入研究多孔介質(zhì)燃燒輻射燃?xì)庠罹咛峁﹨⒖?

1 實(shí)驗(yàn)裝置與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

多孔介質(zhì)燃?xì)庠顚?shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，主要包括供氣系統(tǒng)，流量控制系統(tǒng)、燃?xì)庠铙w、以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).供氣系統(tǒng)由甲烷儲(chǔ)氣瓶、燃?xì)夤艿?、引射器等組成；流量控制系統(tǒng)是由質(zhì)量流量控制器、流量顯示儀組成，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由熱電偶溫度數(shù)據(jù)采集儀、煙氣分析儀、計(jì)算機(jī)以及紅外熱像儀等組成.燃?xì)庠铙w結(jié)構(gòu)由預(yù)混室、雙層陶瓷板等幾部分組成，上層大孔徑碳化硅泡沫陶瓷把火焰離散成許多細(xì)微的小火焰，拓寬燃燒反應(yīng)區(qū)域，使燃燒更加充分；下層小孔徑蜂窩陶瓷多孔介質(zhì)能夠預(yù)熱新鮮燃?xì)?

1-溫度數(shù)據(jù)采集儀；2-熱電偶；3-多孔介質(zhì)；4-燃?xì)庠铙w；5-引射器；6-分流器；7-質(zhì)量流量控制器；8-流量顯示儀；9-燃?xì)鉁p壓器；10-調(diào)節(jié)閥；11-甲烷儲(chǔ)氣瓶；12-紅外熱像儀；13-計(jì)算機(jī)；14-煙氣分析儀.圖1 多引射旋轉(zhuǎn)預(yù)混多孔介質(zhì)燃?xì)庠顚?shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

圖2 紅外熱像儀測量位置坐標(biāo)系

使用美國的FLIR Systems制造的非冷卻式手持紅外熱像儀對(duì)燃?xì)庠畋砻孢M(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，通過計(jì)算機(jī)軟件FLIR Research IR處理分析多孔介質(zhì)表面溫度數(shù)據(jù)，測量位置坐標(biāo)系如圖2所示，紅外熱像儀測溫范圍為200～2 000 ℃.實(shí)驗(yàn)中，通過風(fēng)門來控制風(fēng)量的調(diào)節(jié)，風(fēng)門開度不同，引射器卷吸的空氣量不同，引射器與風(fēng)門結(jié)構(gòu)如圖3所示.在燃?xì)庠钪疬^程中，利用日本制造的HORIBA PG-350便攜式煙氣分析儀記錄煙氣濃度數(shù)據(jù)，主要包括CO，NOX，O2等.

1-噴嘴；2-風(fēng)門；3-收縮管；4-混合管；5-擴(kuò)散管.(a) 引射器

(b) 風(fēng)門

2 結(jié)果分析與討論

2.1 溫度測量校核

為了校核紅外線熱像儀對(duì)測量多孔介質(zhì)燃?xì)庠畋砻鏈囟葴?zhǔn)確性，用紅外線熱像儀拍攝多孔介質(zhì)燃?xì)庠畋砻嫔螩(0,0)點(diǎn)溫度變化，同時(shí)用K型熱電偶(精度±0.75%)測量測點(diǎn)C溫度，由于紅外熱像儀測量的是表面固體溫度，故用粘結(jié)劑把熱電偶測量端與燃?xì)庠畋砻婀腆w連接，降低了間隙氣體溫度對(duì)測點(diǎn)固體溫度的影響.

圖4 測點(diǎn)C(0,0)處溫度-時(shí)間變化曲線圖

測點(diǎn)C的熱電偶測量結(jié)果與紅外熱像儀溫度測量結(jié)果的校核如圖4所示.圖4中，在熱負(fù)荷Q=2.8 kw、風(fēng)門開度k=75%、噴嘴直徑d=0.6 mm時(shí)，多孔介質(zhì)燃?xì)庠畋砻骈_始點(diǎn)火到穩(wěn)定燃燒過程中，測點(diǎn)C的溫度經(jīng)歷上升、下降、再上升的變化過程.因?yàn)辄c(diǎn)火后燃?xì)庠谌細(xì)庠畋砻嫒紵?，為了預(yù)防回火發(fā)生，調(diào)節(jié)風(fēng)門開度，然后火焰向多孔介質(zhì)內(nèi)部傳播，當(dāng)火焰分布到整個(gè)多孔介質(zhì)內(nèi)部時(shí)，燃燒開始均勻，溫度升高并保持穩(wěn)定.由圖4可知，兩種測量方法獲得的溫度隨時(shí)間變化曲線非常接近，當(dāng)溫度穩(wěn)定時(shí)，相對(duì)誤差小于1.5%.實(shí)驗(yàn)表明，紅外線熱像儀測得的表面固體溫度與熱電偶測得的數(shù)據(jù)吻合性較好.

2.2 著火啟動(dòng)表面溫度分布

Q=3.2 kw，k=75%，d=0.6 mm時(shí)，表面溫度在不同時(shí)刻的分布情況如圖5所示.圖5(a)為燃燒開始階段表面溫度分布圖，此時(shí)表面最高溫度為348 ℃，最低溫度為111 ℃，溫差為237 ℃；圖5(b)中，t=280 s時(shí)，表面最高溫度為753 ℃，最低溫度為619 ℃，溫差為134 ℃；圖5(c)中，t=420 s時(shí)，表面溫度分布均勻，表面最高溫度為783 ℃，最低為709 ℃，溫差進(jìn)一步減小到74 ℃；圖5(d)中，t=520 s時(shí)，表面最高溫度變?yōu)?81 ℃，最低為708 ℃，溫差變?yōu)?3 ℃，說明表面溫度分布均勻后，溫差基本保持不變.

圖5 不同時(shí)刻燃?xì)庠畋砻鏈囟葓龇植?/p>

為了更加直觀反應(yīng)溫度分布均勻性，選取圖2中的坐標(biāo)系，對(duì)Y=-50 mm，Y=0 mm，Y=50 mm位置處溫度進(jìn)行分析對(duì)比，如圖6所示.圖6(a)中，t=0 s時(shí)，表面中心周圍Y=0 mm，X=-25 mm～25 mm，溫度接近表面平均溫度253 ℃；Y=-50 mm，Y=50 mm處的最高溫度和最低溫度差值較大.因?yàn)辄c(diǎn)火后，熱量開始集中在中間位置，然后通過對(duì)流換熱、熱輻射向四周傳播，開始階段燃燒不穩(wěn)定，多孔介質(zhì)表面溫度分布不均勻，波動(dòng)較大.圖6(b)中，t=280 s時(shí)，平均溫度為692 ℃，在Y=-50 mm，從X=-30 mm～30 mm，溫度明顯要高于平均溫度，存在局部高溫；在表面中心周圍Y=0 mm，X=-25 mm～25 mm，溫度變化比較平穩(wěn)，接近平均溫度；另一側(cè)Y=50 mm位置處的溫度平穩(wěn)，但小于平均溫度.因?yàn)槿細(xì)庠铧c(diǎn)火后，隨著調(diào)節(jié)風(fēng)門開度增大，空氣卷吸量增加，燃燒釋放的熱量增多，在調(diào)節(jié)風(fēng)門過程中，燃?xì)夂涂諝饣旌喜痪鶆颍紵^程中造成局部高溫.圖6(c)中，平均溫度為729 ℃，3個(gè)位置的溫度基本都靠近平均溫度變化，在Y=-50 mm位置的溫度波動(dòng)相對(duì)較大，但在整個(gè)區(qū)間內(nèi)都是圍繞平均溫度變化.圖6(d)中，平均溫度為737 ℃，各位置的溫度與圖6(c)比較沒有太大變化.說明在多孔介質(zhì)燃?xì)庠钶椛浔砻鏈囟仍谌紵_(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，表面溫差大小變化不大且溫度分布比較均勻.

圖6 不同位置溫度分布

2.3 污染物排放特性

多孔介質(zhì)燃?xì)庠钊紵龝r(shí)，為了使燃?xì)馊紵浞?，調(diào)節(jié)風(fēng)門開度使引射器卷吸過量的氧，從而對(duì)污染物濃度有“稀釋”作用，為使污染物標(biāo)準(zhǔn)濃度不因過量的氧而產(chǎn)生差異，統(tǒng)一采用燃?xì)獬浞秩紵龝r(shí)氧量6%為標(biāo)準(zhǔn)，折算處理污染物濃度數(shù)據(jù).

圖7 折算氧量為6%時(shí)，CO及NOX濃度變化

Q=3.2 kw，k=75%，d=0.6 mm時(shí)，煙氣中氧濃度折算為6%后，CO與NOX濃度隨時(shí)間變化過程如圖7所示.CO濃度在燃?xì)庠罹唛_始點(diǎn)火后，燃燒不充分，CO濃度迅速提高，大約在200 s左右達(dá)到最大值665.7 mg/Nm3；調(diào)節(jié)風(fēng)門開度后，火焰在多孔介質(zhì)表面穩(wěn)定，CO濃度下降到79.0 mg/Nm3；此后火焰向上游多孔介質(zhì)內(nèi)部移動(dòng)，燃燒不穩(wěn)定，CO濃度升高，大約在450 s時(shí)升高到202.0 mg/Nm3左右；當(dāng)多孔介質(zhì)輻射表面溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，CO濃度維持在135.0 mg/Nm3左右；NOX的濃度開始有輕微上升過程，表面溫度穩(wěn)定時(shí)，NOX濃度基本不變，大約在18.0 mg/Nm3.在燃?xì)庠畋砻鏈囟确€(wěn)定時(shí)，CO，NOX濃度值均在國家標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi).

3 結(jié)束語

本文對(duì)多孔介質(zhì)燃?xì)庠铧c(diǎn)火燃燒過程中其表面溫度和污染物排放特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)和研究.研究發(fā)現(xiàn)：紅外測溫與熱電偶測溫?cái)?shù)據(jù)誤差較小，說明紅外熱像儀在本實(shí)驗(yàn)測量的溫度數(shù)據(jù)可靠；表面溫差逐漸減小，在溫差為73 ℃時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，溫度分布較均勻，克服了傳統(tǒng)燃?xì)庠畹淖杂苫鹧嫒紵a(chǎn)生局部高溫的缺點(diǎn)；煙氣中的CO的濃度變化經(jīng)歷一個(gè)上升、下降、穩(wěn)定的過程，當(dāng)表面溫度分布均勻時(shí)，CO及NOX的濃度較低并且保持穩(wěn)定.本文并沒有考慮熱負(fù)荷、風(fēng)門開度及噴嘴直徑等因素對(duì)表面溫度與污染物濃度的影響，這是下一步研究中需要考慮的問題.

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Ignition Characteristics of the Rotating Premixed Porous Media Gas Stove by Multi-injection

WANG Haijian1, XU Jiangrong1, SHEN Min1, WANG Guanqing1, LING Zhongqian2

(1.InstituteofEnergy,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China;2.CollegeofTestEngineering,ChinaJiliangUniversity,HangzhouZhejiang310018,China)

The combustion process of multi-injection rotary premixed porous medium gas burner was studied in this paper. The solid surface radiation temperature of the porous gas stove was measured by non-contact infrared thermal imager, and the temperature data were checked by thermocouple, the surface temperature distribution of the porous gas stove and the process of pollutant emission were analyzed. The experimental results show that the relative error between the solid surface temperature measured by infrared camera and thermocouple is less than 1.5%, and the data are in good agreement with each other. The surface temperature distribution gradually becomes uniform, and the difference between the maximum surface temperature and the minimum temperature gradually narrow. when the combustion is stable, the difference is reduced to about 73 ℃ and kept stable, while the CO and NOXconcentration in the flue gas is lower.

porous media; gas stove; infrared thermometer measurement; temperature distribution

10.13954/j.cnki.hdu.2017.04.013

2016-11-04

浙江省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(LY15E060007);浙江省流量計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(JL150506)

王海健(1988-)，男，河南周口人，碩士研究生，多孔介質(zhì)燃燒研究.通信作者：徐江榮教授，E-mail:jrxu@hdu.edu.cn.

TK16

A

1001-9146(2017)04-0061-05