王 佳,田軍委,彭 勃,王 沁,孫江龍
(1.西安工業(yè)大學 工業(yè)中心,西安 710021;2.西安工業(yè)大學 機電工程學院,西安 710021)
斯特林發(fā)動機又稱為熱氣機,是一種外燃機,即依靠外部熱源對密封在機器中的工質加熱,進行閉式循環(huán),推動活塞做功[1]。國內太陽能斯特林發(fā)動機的研制主要集中在發(fā)電功率為1~5 kW,大多也處在實驗室階段[2]。目前該類試驗臺主要采用電加熱方式,方案也比較成熟。據(jù)了解,電加熱試驗臺中,要滿足性能測試基本要求,就要將加熱管加熱到1 200 ℃以上,目前采用比較多的是以硅碳棒作為加熱棒。在實驗使用過程中,由于硅碳棒成本比較高,且在高溫工作中常常容易損壞,使得使用效果大打折扣,難以滿足連續(xù)工作的試驗要求[3]。采用天然氣為燃燒介質直接對斯特林發(fā)動機的熱端進行加熱,在燃燒過程中采用鼓風機和引風機,從而有利于燃氣的充分燃燒。由于天然氣的比熱容較大,燃燒充分,理論溫度能達到2 300 ℃。采用燃氣式的試驗臺方案,能夠達到很高的功率,溫升提速快,而且一旦遇到故障,只要切斷燃氣供給,集熱腔中由于有冷空氣的進入,溫度能夠迅速降低,從而保證發(fā)動機和設備安全。燃燒器的作用就是將天然氣與空氣的混合氣體點燃,使其在集熱腔中對斯特林發(fā)動機的熱端進行加熱,并根據(jù)加熱效果進行燃氣的流量控制,使斯特林發(fā)動機達到穩(wěn)定工作狀態(tài)[4]。文獻[3]對燃氣燃燒器發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述,給出存在的問題。文獻[4]對高溫燃燒器的構造、工作原理進行研究,分析其燃燒特性,以期提高燃燒效率。文中以天然氣為燃燒介質對斯特林發(fā)動機進行加熱,對燃燒器結構進行設計,分析火焰溫度場的溫度分布規(guī)律。
燃燒器由燃燒器身、點火機構、火焰檢測機構、溫度傳感器和輻射板組成。本次燃燒器采用特殊的燃燒器身結構達到產(chǎn)生平焰的目的。燃燒器結構如圖1所示,由于本次所設計的加熱爐加熱的斯特林發(fā)動機熱腔端口的受熱部位呈圓盤形,為了對接時方便以及加熱的均勻性,確定燃燒器的端口也呈圓盤形,直徑為?400 mm,燃氣進口與空氣進口位于一側,出氣口位于另一側。
圖1 燃燒器結構
為實現(xiàn)均勻的加熱熱腔端口,將燃燒器所形成的火焰設計為直焰,該直焰為小火焰混合而成的圓盤形火焰,且有向四周均勻伸展的能力,能在爐體平面內形成均勻性良好的溫度場,同時也具有較強的輻射能力。燃燒器可耐受溫度為1 600 ℃。冷卻空氣通過徑向風將火焰封鎖,不形成長直火焰,而是在燃燒區(qū)域形成均勻的平面火焰[4]。
輻射板由兩層輻射棒和一個固定支架組成,為可拆卸結構。輻射棒采用直徑為?4 mm高溫合金桿配合高溫陶瓷管串接而成;并由兩層輻射板以90°相位角交叉排列而成,如圖2所示。
圖2 輻射板
由于待加熱的斯特林發(fā)動機熱端呈圓環(huán)形(外徑為?398 mm,內徑為?225 mm),因此本次設計的燃燒器火焰的理想狀態(tài)為均勻性良好的環(huán)狀火焰,且要求加熱溫度達到1 200 ℃以上。利用Fluent流體力學仿真軟件對傳統(tǒng)燃燒器和本次設計的燃燒器進行溫度場仿真,結合理論與實驗數(shù)據(jù)在數(shù)值仿真軟件中模仿真實環(huán)境,根據(jù)仿真結果,進一步對改進后的燃燒器進行仿真以驗證改進結構的合理性[5]。根據(jù)爐膛和燃燒器的特點和實際尺寸建立幾何模型,并對爐膛內的一些復雜結構進行了簡化。簡化后的加熱爐結構模型如圖3所示。
圖3 加熱爐簡化幾何模型
圖3為加熱爐溫度場分析過程中最初的模型,1個燃氣進口,8個空氣進口,4個出煙口。
發(fā)動機功率為20 kW,天然氣流量為40 m3·h-1。燃燒公式為
(1)
由式(1)可知1 mol天然氣完全燃燒需要 2 mol的氧氣,空氣中的氧氣體積分數(shù)約為21%,考慮到空氣中的氧氣并不能完全參與燃燒反應,因此按20%計算。即1 m3的天然氣需10 m3空氣,加熱爐空氣消耗量需400 m3·h-1[6]。加熱爐空氣進氣速度、加熱爐燃氣進氣速度依次為
(2)
(3)
式中:Qa為空氣消耗量;Qg為燃氣消耗量;Ra為空氣進口等效半徑;Rg為燃氣進口半徑。
采用ICEM軟件進行網(wǎng)格劃分,將網(wǎng)格導入Fluent軟件中,設定條件進行仿真得到溫度分布,如圖4所示。
圖5給出了距離氣體進口表面分別為0.1,0.2,0.3,0.4 m各截面的溫度分布情況。
圖4 溫度分布
圖5 各截面溫度分布情況
由圖5可知,在距離氣體進口表面0.4 m時的火焰溫度均勻性最好,溫差最大不超過200 ℃;火焰溫度最高,理論最高溫達到2 350 ℃。
經(jīng)過燃燒器軸線的截面的溫度分布情況如圖5所示。從圖5中可以看出,在靠近左端面處火焰溫度最高,此時,對斯特林發(fā)動機熱端的加熱效果最好??蓪崿F(xiàn)對斯特林發(fā)動機熱腔端口的均勻加熱,保證斯特林發(fā)動機長時間高效運行。
本文應用Fluent軟件對本次設計的燃燒器進行仿真分析,通過分析其不同截面下溫度場的分布,驗證了設計的合理性。研究結果表明:在距離氣體進口表面0.4 m處的火焰溫度均勻性最好,溫差最大不超過200 ℃;火焰溫度最高,理論最高溫達到2 350 ℃。