甘云華 陳小文 李海鴿

(1.華南理工大學(xué)電力學(xué)院， 廣州 510640； 2.廣東省能源高效低污染轉(zhuǎn)化工程技術(shù)研究中心， 廣州 510640)

0 引言

制造技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了設(shè)備微小型化發(fā)展，化學(xué)電池因儲(chǔ)能低、充電時(shí)間長(zhǎng)等不足，成為設(shè)備微小型化發(fā)展的瓶頸之一?；谌紵奈?dòng)力系統(tǒng)具有能量密度高等優(yōu)點(diǎn)[1-5]，具有巨大的應(yīng)用潛力。但尺寸減小也造成如燃燒困難、熱損失比例高等問(wèn)題[6-10]。

微小尺度下燃燒熱損失是一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。LI等[11]以CH4為燃料研究了微管道熱損失，熱損失比例最高達(dá)22%，其中輻射熱損失占總熱損失的70%。LI等[12]以H2為燃料研究了多孔介質(zhì)插入位置對(duì)平板燃燒器壁面輻射熱量的影響，壁面熱輻射比例在15%～23%。JU等[13]針對(duì)平行通道內(nèi)火焰?zhèn)鞑サ睦碚摲治?，得出了熱損失與火焰速度之間的關(guān)系及穩(wěn)定燃燒下熱損失極值曲線。NORTON等[14]以C3H8為燃料研究了熱損失對(duì)火焰穩(wěn)定性的影響，發(fā)現(xiàn)壁面材料導(dǎo)熱性能越好，火焰越偏向上游位置。YANG等[15]以H2為燃料研究壁面發(fā)射率與火焰吹裂極限的關(guān)系，隨著壁面發(fā)射率的降低，熱損失顯著減少，回流熱量增多。液體燃料存儲(chǔ)方便，比氣體燃料能量密度更高，但充分燃燒需要良好的霧化。本課題組在前期研究中，利用荷電霧化技術(shù)，研究了小尺度燃燒器內(nèi)乙醇的霧化與燃燒，分析了不同荷電噴霧模式下乙醇燃燒效率與轉(zhuǎn)換效率[16-17]。

本文設(shè)計(jì)雙網(wǎng)格荷電噴霧燃燒器，以期實(shí)現(xiàn)液體乙醇在小尺度下的穩(wěn)定燃燒，并分析不同工況下燃燒器熱損失特性。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，主要包括干空氣供給系統(tǒng)、燃料供給系統(tǒng)、小尺度燃燒器、測(cè)量設(shè)備及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，圖中虛線為信號(hào)傳輸線路。干空氣(20%O2/80%N2)通過(guò)減壓閥減壓后，由質(zhì)量流量控制器(Brooks 5850E型，Brooks公司，美國(guó)，精確度±1%)調(diào)節(jié)進(jìn)入燃燒器的空氣流量qair。無(wú)水乙醇流量qv通過(guò)步進(jìn)式注射泵(KDS100型，Kdscientific公司，美國(guó)，精確度±1%)控制。噴管和環(huán)形電極電壓分別由2個(gè)高壓電源(71230P型，BOHER HV公司，中國(guó)，精確度±1%)提供。無(wú)水乙醇進(jìn)入噴管后，施加在噴管和環(huán)形電極的電壓形成靜電場(chǎng)使乙醇破碎成霧滴，從而加快了乙醇的蒸發(fā)過(guò)程。S型鉑銠熱電偶(精確度±1%)用來(lái)測(cè)量火焰溫度與尾氣溫度?；鹧鏈囟葴y(cè)量截面選取火焰鋒面，測(cè)點(diǎn)取火焰中心及火焰半徑一半的同心圓上4點(diǎn)(每隔1/4圓弧選取1點(diǎn))，共5個(gè)測(cè)點(diǎn)，將5個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的平均值作為火焰溫度，尾氣溫度測(cè)量采用相同的方法，尾氣溫度測(cè)量截面為燃燒器出口截面。熱電偶端部直徑0.30 mm，遠(yuǎn)小于火焰直徑，可忽略測(cè)溫時(shí)熱電偶插入對(duì)火焰的影響?？紤]熱電偶自身輻射散熱的影響，對(duì)所測(cè)溫度進(jìn)行修正處理，修正后測(cè)溫精度為±5 K。利用紅外熱像儀(PM595型，F(xiàn)LIR，美國(guó)，精確度±2%)測(cè)量燃燒器外壁面的溫度分布，測(cè)量區(qū)域?yàn)檎麄€(gè)燃燒器。為降低測(cè)量誤差，在燃燒器表面覆蓋不透明黑漆增加表面發(fā)射率，經(jīng)標(biāo)定，外壁面發(fā)射率為0.9。利用氣相微量注射器在燃燒器內(nèi)距出口5 mm處進(jìn)行尾氣取樣，將取樣后的氣體注入氣相色譜儀(GC1690型，杭州科曉化工儀器設(shè)備有限公司，中國(guó))，對(duì)尾氣中CO、CO2和N2的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic of experiment system1.氣瓶 2.減壓閥 3.質(zhì)量流量控制器 4.高壓電源1 5.高壓電源2 6.步進(jìn)式注射泵 7.燃燒器 8.紅外熱像儀 9.熱電偶 10.數(shù)據(jù)采集儀 11.氣相色譜儀 12.計(jì)算機(jī)

圖2 小尺度燃燒器示意圖Fig.2 Schematic of small scale combustor1.噴管 2.環(huán)形電極 3.收集網(wǎng)格 4.燃燒網(wǎng)格

圖2為小尺度雙網(wǎng)格燃燒器示意圖。燃燒器整體呈圓柱狀。干空氣入口內(nèi)徑為5.0 mm，燃料噴管內(nèi)、外徑分別為0.9、1.2 mm，噴管頂端距環(huán)形電極距離為1.0 mm，環(huán)形電極厚度為5.0 mm。收集網(wǎng)格與燃燒網(wǎng)格間距為5.0 mm，網(wǎng)格厚度為0.5 mm。噴管、環(huán)形電極和網(wǎng)格均由不銹鋼材料制成。乙醇噴管接電壓Vc，環(huán)形電極接電壓Vr，收集網(wǎng)格接地極。該新型燃燒器結(jié)構(gòu)緊湊，將荷電噴霧技術(shù)應(yīng)用于小尺度下液體燃料的燃燒，實(shí)現(xiàn)了液體燃料良好的分散，加快了乙醇蒸發(fā)過(guò)程。在燃燒器出口處利用酒精燈點(diǎn)火，著火后立即撤除酒精燈，穩(wěn)定火焰形成后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)量。

2 燃燒器壁面熱損失計(jì)算

2.1 燃燒器壁面熱損失計(jì)算

燃燒器壁面熱損失Qloss分為對(duì)流熱損失Qc和輻射熱損失Qr。紅外圖像中燃燒器所占像素為30像素×198像素，將每個(gè)像素對(duì)應(yīng)區(qū)域的熱損失求解后求和即可得到壁面熱損失。

Qloss=Qc+Qr

(1)

其中

Qc=2∑hAi(Ti-T0)

(2)

(3)

h=λNu/d

(4)

式中h——對(duì)流傳熱系數(shù)Ai——第i區(qū)域面積Ti——第i區(qū)域溫度T0——環(huán)境溫度ε——壁面發(fā)射率σ——斯忒藩-玻爾茲曼常量Nu——努謝爾數(shù)d——燃燒器外徑λ——導(dǎo)熱系數(shù)

在紅外圖像中燃燒器壁面投影為矩形，實(shí)際形狀為圓柱形，因此在計(jì)算Ai時(shí)需要考慮投影問(wèn)題，否則會(huì)造成散熱面積的縮小。投影與弧長(zhǎng)轉(zhuǎn)換示意圖如圖3所示，如弧AB和弧BC在紅外圖像中分別對(duì)應(yīng)線段AD和DE。利用三角關(guān)系可計(jì)算出每段弧對(duì)應(yīng)的角度從而計(jì)算出弧長(zhǎng)。

圖3 弧長(zhǎng)轉(zhuǎn)換示意圖Fig.3 Schematic of arch length conversion

燃燒器呈圓柱狀，水平放置于開(kāi)放空間，可根據(jù)橫圓柱大空間自然對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式[18]計(jì)算壁面與周?chē)諝庵g的對(duì)流傳熱系數(shù)

Nu=C(GrPr)n

(5)

其中

(6)

式中C、n——系數(shù)，橫圓柱大空間自然對(duì)流層流傳熱條件下，C取0.48，n取0.25

Gr——格拉曉夫數(shù)Pr——普朗特?cái)?shù)

g——重力加速度αυ——體脹系數(shù)

Δt——壁面與環(huán)境溫差

ν——?jiǎng)恿φ扯萢——熱擴(kuò)散系數(shù)

2.2 壁面熱損失比例、燃燒效率、熱效率計(jì)算

燃燒器壁面熱損失比例ηloss為壁面熱損失Qloss與燃料完全燃燒所釋放熱量的比值[19]，計(jì)算公式為

(7)

其中

Qin=meHe

(8)

式中Qin——燃燒器輸入能量me——進(jìn)入燃燒器的乙醇質(zhì)量He——乙醇低位熱值

燃燒效率反映燃燒器內(nèi)乙醇的燃燒情況。燃燒效率ηc的定義為燃燒過(guò)程實(shí)際釋放熱量與燃料完全燃燒釋放熱量之比[20]

(9)

其中

Qun=mCOHCO+mun,eHe

(10)

式中Qun——尾氣中未燃成分完全燃燒釋放熱量

mCO——尾氣中CO質(zhì)量

mun,e——尾氣中乙醇質(zhì)量

HCO——CO低位熱值

尾氣成分包含CO、CO2、N2、乙醇和水蒸氣，乙醇和水蒸氣在室溫(20℃)下會(huì)液化，不能直接通過(guò)氣相色譜儀測(cè)得，通過(guò)對(duì)CO、CO2、N2的測(cè)量，利用C、N元素守恒，計(jì)算尾氣中乙醇含量，從而計(jì)算出燃燒效率。

熱效率是評(píng)價(jià)燃燒器性能的重要指標(biāo)。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)研究的燃燒器，將熱效率ηt定義為尾氣所攜帶的熱量與燃燒過(guò)程實(shí)際釋放的熱量之比[21]，根據(jù)能量守恒，尾氣所攜帶的熱量為燃燒過(guò)程實(shí)際釋放熱量減去壁面熱損失

(11)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 火焰圖像和燃燒器外壁面紅外圖像Fig.4 Flame image and outer wall IR image

設(shè)置乙醇流量為4.00 mL/h，噴管電壓4.80 kV，環(huán)形電極電壓為1.25 kV，在該電壓組合下，噴霧處于錐-射流模式。通過(guò)調(diào)節(jié)干空氣流量改變當(dāng)量比，進(jìn)行了不同當(dāng)量比下的燃燒實(shí)驗(yàn)。在燃燒器尾部點(diǎn)火后，火焰呈淡藍(lán)色圓形薄片狀，附著于燃燒網(wǎng)格附近，在當(dāng)量比Φ=1時(shí)，實(shí)驗(yàn)中火焰圖像和紅外圖像如圖4所示。穩(wěn)定工況下燃燒可持續(xù)進(jìn)行，直至燃料耗盡，無(wú)需外部加熱。燃燒器在當(dāng)量比Φ為0.85～1.40區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定燃燒?；鹧嫘螤罘€(wěn)定，火焰面平整，未觀測(cè)到液滴穿過(guò)火焰的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[22]中所采用的單網(wǎng)格燃燒器偶爾會(huì)出現(xiàn)較大液滴直接穿過(guò)網(wǎng)格導(dǎo)致火焰抖動(dòng)，不利于燃燒器的穩(wěn)定工作，本燃燒器中雙網(wǎng)格結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)火焰穩(wěn)定性。

3.1 火焰溫度與尾氣溫度

圖5為火焰溫度與尾氣溫度隨當(dāng)量比變化曲線。由圖5可看出，火焰溫度隨著當(dāng)量比增大先上升后下降，Φ=1時(shí)火焰溫度達(dá)到最高值1 197.38 K。尾氣溫度隨著當(dāng)量比的增大而降低，尾氣溫度變化范圍為418.70～576.40 K。在Φ≤1時(shí)，火焰溫度隨當(dāng)量比增加而上升，這是由于此時(shí)空氣處于過(guò)量狀態(tài)，隨著空氣流量降低，過(guò)量空氣減小，乙醇燃燒產(chǎn)生的熱量中用來(lái)加熱過(guò)量空氣的熱量減少，因此導(dǎo)致火焰溫度升高。Φ>1后，所供空氣量不足，乙醇無(wú)法完全燃燒，燃燒產(chǎn)熱量下降，從而引起火焰溫度下降，尾氣溫度也因此下降。但在Φ≤1時(shí)，尾氣溫度變化趨勢(shì)與火焰溫度變化趨勢(shì)相反，這是由于空氣流量增加導(dǎo)致火焰被吹向下游，尾氣通過(guò)壁面?zhèn)鳠岬木嚯x縮短，空氣流量越高，火焰距離燃燒器出口越近，尾氣帶出的熱量越多，因此尾氣溫度在Φ≤1時(shí)隨著當(dāng)量比的減小而升高。

圖5 不同當(dāng)量比下火焰溫度與尾氣溫度Fig.5 Flame and exhausted gas temperatures at different equivalence ratios

3.2 燃燒器壁面熱損失

根據(jù)式(4)～(6)，結(jié)合燃燒器壁面溫度分布，經(jīng)過(guò)計(jì)算，對(duì)流傳熱系數(shù)約為12.5 W/(m2·K)。文獻(xiàn)[23-24]在數(shù)值模擬時(shí)該參數(shù)取值介于10～20 W/(m2·K)。根據(jù)式(1)～(3)，可以基于紅外圖像計(jì)算出燃燒器的壁面熱損失。圖6表明燃燒器熱損失隨當(dāng)量比增加而增大，熱損失由8.99 W增加至10.91 W，輻射熱損失高于對(duì)流熱損失，約占壁面熱損失的56%。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，火焰直徑不隨當(dāng)量比改變而改變，與燃燒器內(nèi)徑相當(dāng)，約為12 mm。由于對(duì)燃燒器壁面采取了涂層處理，壁面不透明，因此只能觀測(cè)火焰的正視圖，火焰位置的軸向移動(dòng)難以通過(guò)火焰圖像判斷。圖7給出了燃燒器壁面中軸線的溫度分布。收集網(wǎng)格和燃燒網(wǎng)格分別位于x為85、90 mm處。由圖7可看出，不同當(dāng)量比下壁面最高溫度出現(xiàn)的位置不同，當(dāng)量比越大，最高溫度出現(xiàn)的位置越靠近燃燒網(wǎng)格，說(shuō)明火焰雖然附著于燃燒網(wǎng)格附近，但是隨著空氣流量的改變，火焰穩(wěn)定位置亦改變，且空氣流量越大，火焰距燃燒網(wǎng)格越遠(yuǎn)。這一趨勢(shì)如圖7中箭頭所示。這解釋了壁面熱損失的變化規(guī)律，當(dāng)量比越小，火焰距燃燒器出口越近，因此燃燒產(chǎn)熱通過(guò)尾氣排出的比例增加，壁面熱損失越小。由圖7還可以發(fā)現(xiàn)，在燃燒網(wǎng)格下游位置，不同工況下壁面的溫度分布相差不大，但由于該區(qū)域溫度較高，是輻射熱損失的主要區(qū)域。燃燒網(wǎng)格上游是乙醇的霧化和蒸發(fā)區(qū)域，在當(dāng)量比Φ>1時(shí)，火焰距離燃燒網(wǎng)格位置較近，且空氣流速降低，尾氣流出時(shí)間增加，導(dǎo)致燃燒產(chǎn)生的熱量更多地傳遞至燃燒器壁面，使壁面溫度較高。較高的壁面溫度有利于乙醇霧滴的蒸發(fā)，對(duì)燃燒產(chǎn)生促進(jìn)作用，雖然當(dāng)量比升高使化學(xué)反應(yīng)受到限制，但液滴蒸發(fā)條件得到改善，燃料與空氣混合氣體的溫度升高，因此在燃料流量不變的情況下，火焰直徑在穩(wěn)定燃燒區(qū)間內(nèi)并不隨著當(dāng)量比的改變而變化。

圖6 不同當(dāng)量比下燃燒器壁面熱損失Fig.6 Heat losses at different equivalence ratios

3.3 壁面熱損失比例、燃燒效率與熱效率

不同當(dāng)量比下壁面熱損失比例、燃燒效率與熱效率如圖8所示。壁面熱損失比例隨當(dāng)量比增加而增加，壁面熱損失比例變化范圍為27.25%～33.08%。

圖7 壁面軸向溫度分布曲線Fig.7 Wall temperature distribution curves of centerline

圖8 不同當(dāng)量比下壁面熱損失比例、燃燒效率與熱效率Fig.8 Proportion of wall heat loss, combustion efficiency and thermal efficiency at different equivalence ratios

燃燒效率在當(dāng)量比Φ=1時(shí)達(dá)到最高，最高燃燒效率為93.26%。當(dāng)量比從0.85增加到1.0，燃燒效率從90.67%升至93.26%，此時(shí)空氣流量大于乙醇完全燃燒所需流量，空氣流量增加導(dǎo)致流速增加，停留時(shí)間縮短，但是由于當(dāng)量比變化范圍小，流速變化較小，因此燃燒效率一直保持在90%以上；當(dāng)量比Φ>1后，燃燒效率下降較快，在Φ=1.40時(shí)僅為65.89%，空氣流量減少導(dǎo)致氧氣供應(yīng)不足，受不完全燃燒的影響，此時(shí)尾氣中未燃的CO和乙醇含量升高。

熱效率隨當(dāng)量比的增加而降低，熱效率變化范圍為49.80%～69.95%。在當(dāng)量比Φ≤1范圍內(nèi)，穩(wěn)定在69%左右，此時(shí)壁面熱損失比例和燃燒效率隨當(dāng)量比變化較小，因此熱效率基本不變。當(dāng)量比

Φ>1范圍內(nèi)，熱效率變化規(guī)律與燃燒效率變化趨勢(shì)相似，這是由于隨著當(dāng)量比的增大，壁面熱損失比例增加較為平緩，而燃燒效率快速下降，由此導(dǎo)致了熱效率的快速下降。

4 結(jié)論

(1)雙網(wǎng)格燃燒器中火焰呈穩(wěn)定的圓形薄片狀，不同當(dāng)量比下火焰直徑保持不變，未觀測(cè)到液滴穿越網(wǎng)格對(duì)火焰造成影響，收集網(wǎng)格、燃燒網(wǎng)格分別對(duì)液滴收集和火焰穩(wěn)定起到重要作用。

(2)火焰溫度隨當(dāng)量比的增加先上升后下降，在當(dāng)量比Φ=1時(shí)達(dá)到最大。受火焰位置的影響，尾氣溫度隨當(dāng)量比的增加一直呈下降趨勢(shì)。

(3)壁面熱損失隨當(dāng)量比的增加而增加，熱損失比例的范圍為27.25%～33.08%，停留時(shí)間增加導(dǎo)致壁面熱損失增加。輻射熱損失略高于對(duì)流熱損失，約占總熱損失的56%。

(4)燃燒效率隨當(dāng)量比的增加先上升后下降，最高可達(dá)93.26%，實(shí)現(xiàn)了小尺度條件下乙醇的高效燃燒。

(5)燃燒器熱效率在Φ≤1的工況下約為69%；Φ>1后，隨著燃燒效率的下降和熱損失比例的升高，熱效率逐漸降低。

(6)設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)雙網(wǎng)格燃燒器可實(shí)現(xiàn)小尺度條件下乙醇的良好噴霧、蒸發(fā)與燃燒。

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