王恩宇，張翔宇，史忠天，段潤澤，田?亮

孔隙結(jié)構(gòu)對水冷燃燒器燃燒換熱特性的影響

王恩宇1, 2, 3，張翔宇1, 2, 3，史忠天1, 2, 3，段潤澤1, 2, 3，田?亮1, 2, 3

(1. 河北工業(yè)大學能源與環(huán)境工程學院，天津 300401；2. 河北省熱科學與能源清潔利用技術(shù)重點實驗室，天津 300401；3. 天津市清潔能源利用與污染物控制重點實驗室，天津 300401)

針對天然氣等高熱值氣體燃燒時氮氧化物排放高和多孔介質(zhì)燒蝕問題，設(shè)計開發(fā)了變孔隙多孔介質(zhì)燃燒試驗系統(tǒng)，研究了燃燒室內(nèi)沿橫向孔密度變化的孔隙結(jié)構(gòu)對多孔介質(zhì)中燃燒換熱的影響．結(jié)果表明：燃燒室內(nèi)平均孔密度相同條件下，孔密度沿橫向由內(nèi)而外先階躍增加再階躍減小的孔隙結(jié)構(gòu)有利于燃燒放熱沿冷卻邊界方向的傳遞，該燃燒室內(nèi)整體溫度低，從燃燒室中心截面處沿冷卻邊界方向的溫差最大達568℃，多孔介質(zhì)燃燒器的溫升速率最小為16.2℃/min，平均傳熱系數(shù)最大為656.6W/(m2·℃)；橫向孔密度變化的6種燃燒室內(nèi)芯結(jié)構(gòu)采用水冷方式降低了燃燒室溫度，NO排放都可以達到20mg/m3以下，而CO最高也僅有60mg/m3．

變孔隙；多孔介質(zhì)燃燒器；內(nèi)芯結(jié)構(gòu)；水冷；換熱特性

多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)(PMC)是一種高效、清潔的新型燃燒技術(shù)，與傳統(tǒng)空間燃燒相比具有燃燒速率高、負荷調(diào)節(jié)比大、燃燒強度高、燃燒器體積小、污染物排放低等優(yōu)點[1-4]．但由于多孔介質(zhì)燃燒具有“超焓”特性[5]，會使得燃燒溫度遠遠高于常規(guī)的自由火焰溫度，造成氮氧化物排放量高和多孔介質(zhì)材料燒蝕的問題[6-7]．

多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒溫度的影響因素主要有當量比、燃燒強度、多孔介質(zhì)材料及孔隙結(jié)構(gòu)和燃燒邊界條件等參數(shù)．其中，多孔介質(zhì)材料及孔隙結(jié)構(gòu)直接影響多孔介質(zhì)傳熱性能，對燃燒溫度分布的控制起著重要作用．很早就有學者注意到預(yù)熱區(qū)采用小孔徑(或小孔隙率)、穩(wěn)定燃燒區(qū)采用大孔徑(或大孔隙率)的結(jié)構(gòu)，有利于避免發(fā)生回火[8]．此后研究者們大都采納了這種結(jié)構(gòu)．Liu等[9]通過對超貧丙烷/空氣在多孔介質(zhì)中預(yù)混燃燒的數(shù)值模擬，得出隨著多孔介質(zhì)孔隙率增大，縮小了固相和氣相之間的溫度差異．Gao等[10]在上下游分別布置氧化鋁小球和多孔泡沫的雙層多孔燃燒器中研究了泡沫的材料和孔密度對火焰穩(wěn)定性、火焰溫度分布和污染物排放的影響，發(fā)現(xiàn)在燃燒器下游布置孔密度為10PPI(pores per inch，是孔密度的表征單位)、20PPI或25PPI的SiC泡沫陶瓷中火焰溫度差異不大，而30PPI的火焰溫度相對較低．Barra等[11]通過數(shù)值模擬的方式，對燃燒器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行研究，認為多孔介質(zhì)孔密度的排列方式會對穩(wěn)定燃燒范圍產(chǎn)生影響．其中，上游宜采用孔密度較大的材料，而下游宜采用孔密度較小的材料．丁艷?等[12]探究了5種不同孔密度多孔介質(zhì)燃燒器內(nèi)低濃度瓦斯燃燒溫度分布及污染物排放規(guī)律，結(jié)果表明多孔介質(zhì)燃燒器孔密度對低濃度瓦斯燃燒溫度的影響并非線性函數(shù)關(guān)系．Xie等[13]發(fā)現(xiàn)多孔介質(zhì)材料和結(jié)構(gòu)對燃燒器的溫度分布有顯著影響，并指出燃燒區(qū)應(yīng)使用高孔隙率泡沫陶瓷，而低孔隙率的氧化鋁顆粒應(yīng)置于預(yù)熱區(qū)．

可見，絕大多數(shù)研究文獻僅考慮了氣流流動方向的孔隙結(jié)構(gòu)變化，而對于垂直于氣流方向的橫截面上孔隙結(jié)構(gòu)變化的研究很少涉及．前期研究結(jié)果表明，均勻多孔介質(zhì)中最高燃燒溫度和火焰位置都會隨泡沫陶瓷孔徑不同而不同[2]，橫向孔隙結(jié)構(gòu)的變化，會直接影響燃燒室冷卻邊界的傳熱量，進而影響燃燒室的溫度分布和燃燒狀況[14]．當橫向孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化時，燃燒區(qū)向橫向冷卻邊界的傳熱，影響了多孔介質(zhì)燃燒區(qū)的溫度和熱量的輸出，火焰面在氣流方向上不再是平面，而會發(fā)生變形成為曲面[14]．所以，在燃燒室橫向孔隙分布發(fā)生變化時，燃燒室橫向截面溫度便不再均勻，勢必會導(dǎo)致在周向的傳熱增加，進而降低燃燒溫度，有利于氮氧化物排放的降低．

本試驗設(shè)計了橫向孔密度變化的6種燃燒室內(nèi)芯結(jié)構(gòu)，研究了在當量比為0.9、燃燒強度為312.5kW/m2和冷卻水流量為1.2L/min條件下甲烷穩(wěn)定燃燒時的溫度分布、溫升速率、冷卻水室壁面換熱特性及污染物排放特性，達到防止泡沫陶瓷材料熔融損壞和減少氮氧化物排放的目的．

1?試驗裝置

1.1?試驗系統(tǒng)

具有冷卻邊界的變孔隙多孔介質(zhì)燃燒試驗系統(tǒng)是由供氣及供水系統(tǒng)、燃燒器主體、測量控制系統(tǒng)3部分組成，如圖1所示，供氣、供水系統(tǒng)包括燃氣、空氣和冷卻水的供給．燃氣為甲烷，由13MPa的鋼瓶提供，空氣由螺旋桿式空氣壓縮機供給，冷卻水為自來水．

圖1?試驗系統(tǒng)示意

燃燒器主體為兩側(cè)帶冷卻水室的燃燒室(如圖2所示)．燃燒室為一個矩形截面的空間，燃燒室尺寸為120mm×40mm×160mm(長度×寬度×厚度).燃燒室沿氣流方向分別為40mm的直孔陶瓷板構(gòu)成的回火阻止器、10mm的點火縫隙區(qū)、160mm的多孔介質(zhì)燃燒區(qū)以及煙氣室．煙氣室由豎直區(qū)和水平區(qū)兩部分組成，豎直區(qū)高為310mm，水平區(qū)長為220mm.兩個冷卻水室尺寸均為20mm×40mm×360mm，燃燒室的左右壁面作為換熱面與冷卻水室相鄰，冷卻水和預(yù)混氣為逆流布置方式，燃燒器的底部有冷凝水的排水口，隨著燃燒試驗的進行，冷凝水滴沿著壁面匯集后流出．

圖2?燃燒器剖視圖(單位：mm)

試驗所用多孔介質(zhì)材料為碳化硅泡沫陶瓷，其尺寸有15mm×40mm×40mm和15mm×40mm×80mm兩種，孔密度有10PPI、15PPI、20PPI、25PPI、30PPI 5種．實物照片如圖3所示．

圖3?多孔介質(zhì)實物

為了獲得從燃燒室中心截面處沿冷卻邊界方向和沿縱向的溫度分布，在多孔介質(zhì)中共布置3排S型熱電偶，3排相隔40mm，并且每排從左至右間隔30mm布置5個熱電偶(如圖2所示)．燃燒室出口煙氣溫由K型熱電偶測量，在冷卻水室進口和出口處分別布置有Pt100熱電阻各2個，測量冷卻水進出口溫度．溫度信號通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(安捷倫數(shù)據(jù)采集儀：34972A)檢測和記錄．多孔介質(zhì)燃燒器排出的煙氣通過煙氣分析儀(ECON EN2-F)測量．各測量儀器儀表的測量范圍和測量精度如表1所示．

表1?試驗所用儀器儀表精度

Tab.1?Accuracy of instruments used in the test

1.2?試驗方法

試驗采用單一變量法，探究甲烷/空氣預(yù)混氣體在當量比＝0.9、燃燒強度FR＝312.5kW/m2(甲烷流量為2.5L/min時的實際燃燒強度)和冷卻水流量＝1.2L/min(冷卻水流速＝0.18m/s)的條件下，孔隙結(jié)構(gòu)的排布對多孔介質(zhì)中燃燒換熱特性的影響.燃燒器內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的不同孔隙排列方式如圖4所示．

圖4?積木型孔隙結(jié)構(gòu)排布示意

對于孔密度的排列方式，主要是由孔密度變化率和平均孔密度這兩個孔隙結(jié)構(gòu)特征變量決定的．通過改變孔隙結(jié)構(gòu)特征變量使得不同孔隙結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)之間具有燃燒特異性差異．本試驗系統(tǒng)主要研究沿橫向孔密度變化對多孔介質(zhì)中燃燒換熱特性的影響．

首先保持平均孔密度不變，通過改變孔密度變化率來布置不同的孔隙結(jié)構(gòu)，研究沿橫向孔密度變化對于橫向熱量傳遞的影響．對從燃燒室中心截面處沿冷卻邊界方向孔密度排布為10-15-20-25、25-20-15-10、15-25-20-10、20-10-15-25共4種類型孔隙結(jié)構(gòu)進行對比試驗．4種結(jié)構(gòu)的孔隙排布在縱向上都是均勻的，在橫向上其孔密度的變化由圖5(a)和(b)給出．由圖可知，4種孔隙結(jié)構(gòu)在任一橫截面上的平均孔密度相同均為17.5PPI，10-15-20-25型的孔密度變化率為沿橫向階躍遞增5PPI，而25-20-15-10型與其相反為沿橫向階躍遞減5PPI；15-25-20-10型的孔密度變化率為沿橫向先階躍增加10PPI再階躍減小5PPI和10PPI，而20-10-15-25型與其相反，為沿橫向先階躍減小10PPI再階躍增加5PPI和10PPI．

為對比孔密度變化率相同而平均孔密度不同所帶來的燃燒特異性差異，設(shè)置了15-20-25-30與30-25-20-15兩種孔隙結(jié)構(gòu)類型，將其分別與10-15-20-25、25-20-15-10型進行對比．由圖5(c)和(d)可知，15-20-25-30型與10-15-20-25型孔密度變化率均為沿橫向階躍遞增5PPI，而平均孔密度不同相差5PPI，前者為22.5PPI，后者為17.5PPI；同理，30-25-20-15型與25-20-15-10型孔密度變化率相同均為沿橫向階躍遞減5PPI，平均孔密度同樣是相差5PPI．

圖5?從燃燒室中心截面沿橫向孔密度的變化

1.3?試驗過程

試驗時，首先打開冷水水閥，控制水流量為1.2L/min，使冷水充滿冷卻水室，穩(wěn)定流動5min后．逐漸調(diào)節(jié)甲烷和空氣流量，將預(yù)混氣調(diào)整到預(yù)定工況點燃．點燃后通過數(shù)據(jù)采集儀實時監(jiān)測各點溫度，當5min內(nèi)燃燒室壁面溫度波動不超過1℃時，認為該工況穩(wěn)定燃燒，煙氣分析儀取樣分析煙氣成分并記錄數(shù)值，保存溫度數(shù)據(jù)．試驗變量為多孔介質(zhì)內(nèi)芯孔隙結(jié)構(gòu)，一種內(nèi)芯孔隙結(jié)構(gòu)試驗完成后，調(diào)大空氣量和水流量對燃燒器進行冷卻，待溫度冷卻至室溫后更換內(nèi)芯結(jié)構(gòu)再次進行試驗．

2?試驗結(jié)果

2.1?燃燒室內(nèi)溫度分布

通過合理布置多孔介質(zhì)孔隙參數(shù)和冷卻邊界條件，有效實現(xiàn)燃燒放熱量向外遷移，獲得一個合理的燃燒室溫度分布，是保證多孔介質(zhì)中高熱值燃氣高效燃燒和低污染物排放的前提，多孔介質(zhì)孔密度排列方式的不同，導(dǎo)致燃燒室從中心截面處沿橫向和縱向的溫度分布不同．試驗探究了甲烷/空氣預(yù)混氣體在當量比＝0.9、燃燒強度FR＝312.5kW/m2、冷卻水流量＝1.2L/min的條件下，燃燒室內(nèi)芯孔隙結(jié)構(gòu)沿橫向孔密度變化的燃燒室溫度分布．

2.1.1?孔密度變化率對燃燒室整體溫度分布的影響

圖6給出了燃燒室中心截面處沿橫向平均孔密度相同而孔密度變化率不同的4種孔隙結(jié)構(gòu)的燃燒室整體溫度分布．圖6(a)所示為甲烷/空氣預(yù)混氣體在10-15-20-25型、25-20-15-10型、15-25-20-10型、20-10-15-25型孔隙結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定燃燒時第1排熱電偶所在位置從燃燒室中心截面處沿冷卻邊界方向的溫度分布．由圖可知，10-15-20-25型結(jié)構(gòu)的整體溫度最高(平均溫度為616℃)，其次是20-10-15-25型，15-25-20-10型最低(平均溫度為513℃)且15-25-20-10型結(jié)構(gòu)從燃燒室中心截面處沿冷卻邊界方向的溫差最大為568℃，平均溫度梯度為9.47℃/mm．圖6(b)給出了甲烷/空氣預(yù)混氣體在不同孔隙結(jié)構(gòu)中穩(wěn)定燃燒時燃燒室中心截面處沿縱向的溫度分布．由圖(b)可以明顯看出燃燒室最高溫度同樣是10-15-20-25型結(jié)構(gòu)最高(867℃)，其次是20-10-15-25型(840℃)，25-20-15-10型與15-25-20-10型結(jié)構(gòu)大致相同分別為802℃、796℃．4種孔隙結(jié)構(gòu)縱向的整體溫度大小排列順序同在燃燒室上游橫向基本一致．

圖6?不同孔密度變化率條件下燃燒室溫度分布的對比

對于這4種孔隙結(jié)構(gòu)，都是沿橫向平均孔密度相同為17.5PPI而孔密度變化率不同，縱向上是均勻排布的．對比顯示沿橫向孔密度變化率先增后減的15-25-20-10型孔隙結(jié)構(gòu)更有利于熱量沿冷卻邊界方向傳遞，而孔密度變化率沿橫向階躍遞增5PPI的10-15-20-25型結(jié)構(gòu)最不利于熱量的傳遞．分析其原因，隨著溫度升高，泡沫陶瓷輻射傳熱作用成為主要因素，正如文獻[15]所說，泡沫陶瓷固體骨架隨著孔密度的增大而變細變密，導(dǎo)致導(dǎo)熱能力降低，使得有效導(dǎo)熱系數(shù)降低，沿橫向冷卻邊界方向的有效導(dǎo)熱系數(shù)小，不利于熱量沿燃燒核心高溫區(qū)的位置向冷卻邊界方向傳遞．而孔密度從中心截面處沿冷卻邊界方向先增大后減小，越靠近冷卻邊界處孔徑越大，提高了有效導(dǎo)熱系數(shù)，減弱了輻射衰減，增強了沿橫向的輻射穿透能力，改變了燃燒核心高溫區(qū)的范圍，更有利于熱量沿冷卻邊界方向傳遞．10-15-20-25型相比于25-20-15-10型結(jié)構(gòu)，其沿橫向孔密度變化率為5PPI階躍遞增，越靠近冷卻邊界其孔密度越大，有效導(dǎo)熱系數(shù)降低，在燃燒室中心形成局部高溫區(qū)，阻礙了熱量向冷卻邊界的遷移．15-25-20-10型相比于20-10-15-25型結(jié)構(gòu)，孔密度變化率大小相同但方向相反，在靠近燃燒室中心處孔密度較高為15-25排列，對流換熱效果增加，靠近冷卻邊界處孔密度為20-10排列，孔徑逐漸增大，有效導(dǎo)熱系數(shù)提高，有利于沿橫向輻射傳熱，綜合效果最有利于熱量沿橫向傳遞，使得燃燒室整體溫度最低．

2.1.2?平均孔密度對燃燒室整體溫度分布的影響

圖7為燃燒室中心截面處沿橫向孔密度變化率相同而平均孔密度不同時燃燒室的整體溫度分布.對比10-15-20-25型與15-20-25-30型、25-20-15-10型與30-25-20-15型，都為孔密度變化率相同，分別為沿橫向階躍遞增5PPI和遞減5PPI，而平均孔密度不同，兩組中后者比前者平均孔密度增加了5PPI.由前文圖6(a)、(b)可知，15-20-25-30型沿橫向和縱向的溫度高于10-15-20-25型，30-25-20-15型的整體溫度高于25-20-15-10型．說明沿橫向平均孔密度增加，不利于熱量沿燃燒核心高溫區(qū)向冷卻邊界方向的遷移．

對比10-15-20-25型與15-20-25-30型，兩者孔密度變化率都為沿橫向階躍遞增5PPI，孔徑逐漸減小，有效導(dǎo)熱系數(shù)降低，輻射換熱效果減弱，阻礙了熱量沿燃燒核心高溫區(qū)向橫向的遷移．而15-20-25-30型的平均孔密度更大，孔徑減小程度增大，輻射穿透力更弱，有效導(dǎo)熱系數(shù)降低程度更大，不利于熱量沿橫向傳遞，所以整體溫度高于10-15-20-25型．對比25-20-15-10型與30-25-20-15型，兩者孔密度變化率都為沿橫向階躍遞減5PPI，孔徑逐漸增大，有效導(dǎo)熱系數(shù)提高，增強了輻射換熱，有利于熱量沿燃燒核心高溫區(qū)向外傳遞．由于30-25-20-15型平均孔密度更大，其孔徑縮小的程度大于25-20-15-10型，輻射穿透能力更弱，有效導(dǎo)熱系數(shù)降低，阻礙了熱量的傳遞，因此整體溫度高于25-20-15-10型．

圖7?不同平均孔密度變化條件下燃燒室溫度分布的對比

2.2?橫向孔密度對燃燒室溫升速率的影響

由傅里葉導(dǎo)熱定律知，在導(dǎo)熱過程中，單位時間內(nèi)通過給定截面的導(dǎo)熱量，正比于垂直該截面方向上的溫度變化率和截面面積，而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反．也就是說，單位時間內(nèi)通過單位截面積所傳導(dǎo)的熱量，正比于當?shù)卮怪庇诮孛娣较蛏系臏囟茸兓剩?/p>

多孔介質(zhì)的孔隙結(jié)構(gòu)是控制其燃燒溫度分布的關(guān)鍵因素，為了進一步分析孔隙結(jié)構(gòu)排布的不同所帶來的熱量傳遞性差異，引入了橫向溫升速率T，其揭示了孔隙結(jié)構(gòu)沿橫向傳播溫度變化能力的大小．不同內(nèi)芯結(jié)構(gòu)的多孔介質(zhì)燃燒的溫升速率通過式(1)計算：

式中：Δl表示多孔介質(zhì)中從點火到穩(wěn)定燃燒時的溫度變化，取穩(wěn)定燃燒時第1排熱電偶T1、T2、T3、T4、T5(圖2中)所測溫度的平均值，℃；Δ表示弛豫時間，取從點火到穩(wěn)定燃燒時的時間，min．

圖8為不同橫向孔密度變化條件下溫升速率的對比(＝0.9，F(xiàn)R＝312.5kW/m2，＝1.2L/min)．從圖中可以看出，15-20-25-30型結(jié)構(gòu)的溫升速率值最大(25.3℃/min)，說明從燃燒室中心截面沿橫向孔密度變化率為5PPI階躍遞增使得沿橫向的溫度上升得最快．而孔密度排列為15-25-20-10型結(jié)構(gòu)其沿橫向溫度上升最慢，溫升速率值最小(16.2℃/min)．由式(1)得出，不同橫向孔密度變化結(jié)構(gòu)的溫升速率與其在多孔介質(zhì)中的燃燒溫度成正比，燃燒溫度越高，其溫升速率越大．由前文可知15-20-25-30型孔密度結(jié)構(gòu)阻礙了熱量沿冷卻邊界方向的傳遞，大量熱量被積聚在多孔介質(zhì)中使得燃燒溫度迅速上升，燃燒室整體溫度最高，因此溫升速率最大．而15-25-20-10型結(jié)構(gòu)最有利于熱量沿橫向的遷移，使得燃燒室整體溫度降低，相應(yīng)的溫升速率也最?。?/p>

圖8?不同橫向孔密度變化條件下溫升速率的對比

2.3?冷卻水室壁面平均傳熱系數(shù)

多孔介質(zhì)燃燒室與冷卻邊界之間的傳熱是個非常復(fù)雜的過程，主要包括燃燒室中高溫氣體與冷卻水室外壁面的對流傳熱、泡沫陶瓷骨架與冷卻水室外壁面的導(dǎo)熱和輻射傳熱，以及冷卻水室壁面外側(cè)與內(nèi)側(cè)的導(dǎo)熱、壁面內(nèi)側(cè)與冷卻水間的對流換熱．為分析冷卻水側(cè)換熱壁面與多孔介質(zhì)氣固相間的傳熱過程，需要計算該過程的平均傳熱系數(shù)：

式中，為冷卻水的吸熱量，W；為換熱面積，m2；Δm表示燃燒區(qū)與冷卻水室的整個換熱面上的平均溫差，通過對數(shù)平均溫差方法計算得出，即

圖9為不同橫向孔密度排列的多孔介質(zhì)燃燒室與冷卻水室壁面平均傳熱系數(shù)(＝0.9，F(xiàn)R＝312.5kW/m2，＝1.2L/min)．前4種為沿橫向平均孔密度相同而孔密度變化率不同的孔隙結(jié)構(gòu)的平均傳熱系數(shù)的比較．其中15-25-20-10型結(jié)構(gòu)的壁面平均傳熱系數(shù)最大(656.6W/(m2·℃))，說明該結(jié)構(gòu)下多孔介質(zhì)氣固相向冷卻水側(cè)傳遞的熱量最多．因為在相同燃燒強度，相同冷卻條件下，影響平均傳熱系數(shù)的主要因素就是孔密度的排布．在這4種結(jié)構(gòu)中，15-25-20-10型結(jié)構(gòu)在燃燒室中心處的孔密度先增大，使得對流換熱效果增強，孔密度再減小，使得沿冷卻邊界方向孔徑逐漸增大，增強了沿橫向的輻射傳熱效果，進而向冷卻水側(cè)傳遞的熱量最多，因此其多孔介質(zhì)氣固相與冷卻水室壁面的平均傳熱系數(shù)最大.

從圖中對比10-15-20-25型、25-20-15-10型與15-20-25-30型、30-25-20-15型還可以得出，沿橫向孔密度變化率一定，增大平均孔密度使得平均傳熱系數(shù)減?。治銎湓颍诙嗫捉橘|(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)排布中，平均孔密度較大的孔隙結(jié)構(gòu)，其有效導(dǎo)熱系數(shù)較小. 15-20-25-30型、30-25-20-15型分別與前者相比，沿橫向平均孔密度增大，但有效導(dǎo)熱系數(shù)減小，不利于熱量沿橫向的傳遞，減弱了氣固相向冷卻水側(cè)的傳熱.

圖9　　不同橫向孔密度變化條件下冷卻水室壁面平均傳熱系數(shù)的對比

2.4?燃燒器的熱效率

燃燒器的熱效率為冷卻水吸熱量與燃燒器輸入功率的比值，即

圖10為不同橫向孔密度變化條件下燃燒器熱效率的對比(0.9，F(xiàn)R＝312.5kW/m2，＝1.2L/min).由圖可知，對于平均孔密度相同而孔密度變化率不同的前4種結(jié)構(gòu)，孔密度排列為15-25-20-10的熱效率最高(95%)，說明該孔密度排列下冷卻水側(cè)的吸熱量最多．15-20-25-30型結(jié)構(gòu)燃燒器的熱效率最低(56%)，其與10-15-20-25型結(jié)構(gòu)相比，沿橫向孔密度變化率不變，平均孔密度增加了5PPI，熱效率降低了20%．同理，30-25-20-15型結(jié)構(gòu)與25-20-15-10型結(jié)構(gòu)相比，平均孔密度增加了5PPI，熱效率降低了6%．由此可知，沿橫向平均孔密度越大，越不利于熱量沿冷卻邊界方向的遷移，阻礙了冷卻水側(cè)的吸熱，升高了燃燒室整體溫度，使得更多熱量隨煙氣釋放．

圖10　　不同橫向孔密度變化條件下燃燒器熱效率的對比

2.5?污染物排放

污染物測試結(jié)果均是按照國家排放標準折算到同一氧量(3.5%)．其折算公式為

圖11為甲烷/空氣預(yù)混氣體在不同橫向孔密度變化的多孔介質(zhì)中穩(wěn)定燃燒時的污染物排放(0.9，F(xiàn)R＝312.5kW/m2，＝1.2L/min).由圖可知，內(nèi)芯結(jié)構(gòu)為15-25-20-10型的燃燒器產(chǎn)生的CO最多(60mg/m3)，NO最少(15mg/m3)；15-20-25-30型結(jié)構(gòu)的燃燒器產(chǎn)生的CO最少(38mg/m3)，NO最多(20mg/m3)．CO和NO排放結(jié)果正好相反，與燃燒室溫度的高低直接相關(guān)．15-25-20-10型結(jié)構(gòu)的燃燒室溫度整體相對較低，燃燒反應(yīng)速率降低，不利于CO進一步反應(yīng)，導(dǎo)致CO排放呈升高趨勢；燃燒室整體溫度降低同樣抑制溫度型氮氧化物的產(chǎn)生，導(dǎo)致NO排放呈降低趨勢．與圖6和圖7的溫度分布對比來看，燃燒室整體溫度高的結(jié)構(gòu)對應(yīng)CO排放量低，而NO排放量高，這與常規(guī)燃燒器的結(jié)果相一致．但整體而言，試驗設(shè)計的6種多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)下，采用水冷方式降低了燃燒室溫度，在當量比為0.9、燃燒強度為312.5kW/m2和冷卻水流量為1.2L/min的條件下組織甲烷/空氣預(yù)混燃燒時，使得NO排放都可以達到20mg/m3以下，而CO最高也僅有60mg/m3．

多孔介質(zhì)孔隙結(jié)構(gòu)的變化影響多孔介質(zhì)燃燒器中的溫度分布，從而影響燃燒產(chǎn)物的生成．因此通過改變孔隙結(jié)構(gòu)的分布強化火焰?zhèn)鳠岫怀霈F(xiàn)局部低溫，則可有效控制污染物的排放問題．

圖11　　不同橫向孔密度變化條件下污染物排放的對比

3?結(jié)?論

通過在一臺具有冷卻邊界的變孔隙多孔介質(zhì)燃燒器中研究甲烷/空氣預(yù)混氣體在當量比為0.9、燃燒強度為312.5kW/m2和冷卻水流速為0.18m/s的條件下孔隙結(jié)構(gòu)沿橫向孔密度變化對多孔介質(zhì)燃燒的溫度分布、溫升速率、冷卻水室壁面換熱特性及污染物排放的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 橫向平均孔密度相同，孔密度變化率先增后減的15-25-20-10型(沿橫向趨于水冷邊界的孔密度先階躍增加10PPI再階躍減小5PPI和10PPI)結(jié)構(gòu)的整體溫度最低，其從燃燒室中心截面處沿冷卻邊界方向的溫差最大(568℃)，溫升速率最小(16.2℃/min)，更有利于熱量沿冷卻邊界方向傳遞，其多孔介質(zhì)氣固相與冷卻水室壁面的平均傳熱系數(shù)最大，為656.6W/(m2·℃)．

(2)孔密度變化率相同，橫向平均孔密度越大，越不利于熱量沿橫向的傳遞，其中15-20-25-30型結(jié)構(gòu)整體溫度最高，形成了局部高溫，溫升速率最大(25.3℃/min)．

(3) 橫向孔密度變化的6種燃燒室內(nèi)芯結(jié)構(gòu)采用水冷方式降低了燃燒室溫度，NO排放在20mg/m3以下，而CO排放最高也僅有60mg/m3．

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Effect of Pore Structure on the Combustion and Heat Transfer Characteristics of Water-Cooled Burners

Wang Enyu1, 2, 3，Zhang Xiangyu1, 2, 3，Shi Zhongtian1, 2, 3，Duan Runze1, 2, 3，Tian Liang1, 2, 3

(1. School of Energy and Environmental Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401，China；2. Hebei Key Laboratory of Thermal Science and Energy Clean Utilization，Tianjin 300401，China；3. Tianjin Key Laboratory of Clean Energy and Pollution Control，Tianjin 300401，China)

Aiming at high NOemission and the erosion of porous media during the combustion of high calorific value gases，a variable porosity porous media combustion system was designed and developed. The effect of the pore structure varying along the transverse pore density inside the combustor on the heat transfer characteristics of combustion in porous media was investigated. The results show that under the same average pore density in the combustion chamber，the pore structure，in which the pore density increases transversely first and then decreases in a stepwise fashion from the inside to the outside，facilitates the transfer of combustion heat in the direction of the cooling boundary. The overall temperature in the combustion chamber is low. The maximum temperature difference from the central section of the combustion chamber to the cooling boundary is 568℃. The minimum temperature rise rate of the porous media burner is 16.2℃/min，and the maximum average heat transfer coefficient is 656.6W/(m2·℃). The temperature of combustion chamber is reduced by the water cooling method for 6kinds of combustion chamber core structures with varying transverse hole density. The NO emission can drop below 20mg/m3，and the highest CO emission is only 60mg/m3.

variable porosity；porous media burner；inner core structure；water-cooling；heat transfer characteristics

TK16

A

1006-8740(2023)01-0027-09

10.11715/rskxjs.R202112027

2021-12-29．

國家自然科學基金資助項目(12042211，51806057)；河北省自然科學基金資助項目(E2019202451，E2019202460).

王恩宇（1970—??），男，博士，教授.

王恩宇，wey@hebut.edu.cn.

(責任編輯：隋韶穎)