一種新型熱循環(huán)多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)壓力動態(tài)特性試驗研究

一種新型熱循環(huán)多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)壓力動態(tài)特性試驗研究

采用歸復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)是將周期性交換和多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)相結(jié)合而產(chǎn)生的新型氣體燃燒技術(shù)。它在提高燃料效率、燃燒效率、減少燃料限制、節(jié)約燃料和改善環(huán)境方面具有顯著優(yōu)勢。引起了國際燃燒界的關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者建立不同的往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒試驗系統(tǒng),并對貧燃極限,燃燒溫度、污染物排放特性進(jìn)行了研究,近年來,還出現(xiàn)了將周期性換向燃燒技術(shù)和多孔介質(zhì)蓄熱技術(shù)相結(jié)合的高溫空氣燃燒技術(shù)(highlytemperatureaircombustion,HTAC),但兩者在燃燒機(jī)理和多孔介質(zhì)作用方面存在差別,HATC把多孔介質(zhì)僅僅作為換熱器,燃燒在自由空間中完成,屬于傳統(tǒng)直流式擴(kuò)散燃燒,而往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒發(fā)生在多孔介質(zhì)里面,火焰呈現(xiàn)離散化,燃燒機(jī)理不再屬于傳統(tǒng)直流式燃燒,該研究相對較少.在原有往復(fù)多孔介質(zhì)燃燒研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合多孔介質(zhì)蓄熱技術(shù),建立了新型往復(fù)式熱循環(huán)多孔介質(zhì)燃燒裝置.周期性換向燃燒在改善系統(tǒng)燃燒特性和溫度分布、實現(xiàn)熱量循環(huán)利用的同時,造成系統(tǒng)壓力周期性波動;流道中多孔介質(zhì)的存在增大了系統(tǒng)壓力波動幅值;周期性壓力波動對系統(tǒng)燃燒特性、燃燒溫度、污染排放產(chǎn)生影響.目前,國內(nèi)外有關(guān)往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)壓力波動特性方面的研究報道較少.為掌握系統(tǒng)內(nèi)部壓力波動規(guī)律,本文對換向半周期、空截面流速、二次風(fēng)比及多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對系統(tǒng)壓力動態(tài)分布和波動特性進(jìn)行了冷態(tài)試驗研究,為熱態(tài)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計與穩(wěn)定運(yùn)行提供參考.1預(yù)沖熱環(huán)多孔介質(zhì)的燃燒系統(tǒng)1.1多孔介質(zhì)燃燒如圖1所示,往復(fù)式熱循環(huán)多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)對稱性,主要由多孔介質(zhì)燃燒器(一對)、多孔介質(zhì)蓄熱器(一對)、周期性換向控制系統(tǒng)、流量控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)組成;是在原有往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合多孔介質(zhì)蓄熱技術(shù),通過周期性換向控制系統(tǒng),使氣體燃料在多孔介質(zhì)燃燒器A/B內(nèi)進(jìn)行周期性的交替燃燒,產(chǎn)生的高溫?zé)煔饬鹘?jīng)多孔介質(zhì)蓄熱器A/B后成為低溫?zé)煔?通過四通換向閥排出;與此同時,二次常溫空氣由四通換向閥進(jìn)入另一側(cè)多孔介質(zhì)蓄熱器B/A吸收熱量后,成為高溫空氣,進(jìn)入多孔介質(zhì)燃燒器A/B內(nèi)助燃,進(jìn)一步強(qiáng)化了氣體燃料在多孔介質(zhì)中的燃燒.這樣,系統(tǒng)不僅具有多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)的優(yōu)越性,如燃燒效率高、污染物排放低、體積小等特點,而且二次風(fēng)助燃進(jìn)一步拓寬了氣體燃料的貧燃極限和負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍,有利于低熱值氣體燃料的高效清潔利用.1.2多孔介質(zhì)燃燒試驗冷態(tài)試驗時,關(guān)閉燃?xì)夤┙o系統(tǒng),在前半周期(T1)開始時,周期性換向控制系統(tǒng)瞬間啟動電磁閥A和四通換向控制閥,空氣壓機(jī)縮產(chǎn)生的空氣經(jīng)過儲氣穩(wěn)壓罐后分兩路進(jìn)入系統(tǒng),一次風(fēng)沿底部一級預(yù)混室,經(jīng)電磁閥A到達(dá)二級預(yù)混室,進(jìn)入多孔介質(zhì)燃燒器A,同時,二次風(fēng)由四通換向閥進(jìn)入多孔介質(zhì)蓄熱器和燃燒器B,沿中間橫管進(jìn)入多孔介質(zhì)燃燒器A與一次風(fēng)匯合,沿蓄熱器A向上流動,由四通換向閥排出;同理,后半周期(T2)開始時,周期性控制系統(tǒng)瞬時關(guān)閉電磁閥A,開啟電磁閥B并切換四通閥,一次風(fēng)沿電磁閥B經(jīng)過二級預(yù)混室B,進(jìn)入多孔介質(zhì)燃燒器B,同時,二次風(fēng)經(jīng)切換后的四通換向閥,進(jìn)入多孔介質(zhì)蓄熱器和燃燒器A后,沿中間橫管進(jìn)入多孔介質(zhì)燃燒器B與一次風(fēng)匯合,匯合后沿蓄熱器B向上流動,經(jīng)四通換向閥排出,直到后半周期結(jié)束,形成一個完整周期.這樣不斷重復(fù)上述過程,實現(xiàn)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行.試驗臺系統(tǒng)壓力測點分布如圖2所示.試驗中,各測點的壓力利用壓力傳感器、微差壓變送器以及與計算機(jī)相連的數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行實時檢測與記錄.空氣流量采用質(zhì)量流量控制器來進(jìn)行控制,通過一套周期性換向控制系統(tǒng)來實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部氣體流動方向的周期性改變,換向半周期(T)的長短通過時間繼電器調(diào)節(jié);數(shù)據(jù)采樣時間在計算機(jī)內(nèi)進(jìn)行調(diào)整(無特殊說明,采樣時間設(shè)為2s).試驗用的多孔介質(zhì)在燃燒器內(nèi)為泡沫陶瓷,長度為150mm,蓄熱器內(nèi)為蜂窩陶瓷或花瓣狀蓄熱小球,長度為440mm(見表1).2試驗結(jié)果與分析2.1次風(fēng)+燃燒b/o圖3～圖4是組合4下,V1=3.16m/s,V2=0.35m/s(V1、V2分別為一、二次風(fēng)匯合后在燃燒段和蓄熱段的空截面流速),二次風(fēng)比α=0.4(二次風(fēng)量和總風(fēng)量之比),T=20s時,系統(tǒng)A、B兩側(cè)各點壓力動態(tài)分布.如圖所示,隨系統(tǒng)的運(yùn)行,系統(tǒng)各點壓力在半周期內(nèi)基本為一定值,呈現(xiàn)周期性擬矩形波變化.在時間為0～20s時,B側(cè)壓力處于波峰處,壓力大小依次是3點、2點和1點;A側(cè)壓力正好位于波谷處,壓力大小依次是4點、5點和6點.這正反映為T1半周期的氣體流動方向,二次風(fēng)需要經(jīng)蓄熱器和燃燒器B及中間橫管后,才能和一次風(fēng)匯合,沿程長,阻力相對大,導(dǎo)致B側(cè)各點壓力偏高,位于波峰;一次風(fēng)由二級預(yù)混室A進(jìn)入燃燒器A與二次風(fēng)匯合后,只需經(jīng)蓄熱器A,由四通換向閥排出系統(tǒng),沿程較短,阻力較小,A側(cè)各點壓力相對較低,位于波谷位置.同理,T2周期開始時(如20s前后),氣體流動方向突然改變,B側(cè)3點由二次風(fēng)進(jìn)口,瞬間變?yōu)橄到y(tǒng)出口,A側(cè)6點由系統(tǒng)出口變?yōu)槎物L(fēng)進(jìn)口,A、B兩側(cè)壓力突變,如1點、2點和3點壓力突變?yōu)椴ü?4點、5點和6點壓力突變?yōu)椴ǚ?壓力大小依次為6點、5點、4點、1點、2點和3點.因此,系統(tǒng)壓力波動最高位置位于二次風(fēng)進(jìn)口,而不是一次風(fēng)進(jìn)口,隨系統(tǒng)周期性交替運(yùn)行,A、B兩側(cè)壓力交替處于波峰和波谷,相位角正好相差180°,相同半周期內(nèi)(T1或T2),各點壓力恒定.A、B兩側(cè)各點壓力分布間距在波谷時,比在波峰處明顯偏大.從上面分析知,壓力處于波谷的一側(cè),正好是一、二次風(fēng)匯合后,總風(fēng)量沿蓄熱器(A/B)向上流動的一側(cè),所以,其它條件相同的情況下,空截面流速越大,阻力損失較大,各點壓力間距增大;同理,波峰處各點間距反映的是二次風(fēng)量阻力損失,二次風(fēng)量小于總風(fēng)量,間距偏小.其次,1、2和4、5兩點之間的間距明顯大于2、3和5、6兩點之間的間距,因為在相同流量下,燃燒器管徑小于蓄熱器,燃燒器空截面流速遠(yuǎn)大于蓄熱器空截面流速,阻力損失大,間距變大.2.2系統(tǒng)壓力波動特性分析2.2.1不同換向半周期下的壓力波動由上分析可知,半周期內(nèi)各點壓力為一定值,但在換向瞬間內(nèi),各點壓力不是立刻穩(wěn)定在這一定值,存在一個漸變過程,如圖5所示(采樣時間為0.5s).首先,T2半周期開始瞬間,1、2兩點壓力非常高,3點壓力則偏低,各點壓力波動變化非常大.這反映出換向開始瞬間,四通閥已經(jīng)切換,3點壓力降低,底部一次風(fēng)控制閥的換向還沒完成,1、2兩點壓力非常高.各控制閥的開啟時間雖然設(shè)定為同步,但開啟時間以及開口度在實際運(yùn)行中不可能做到完全一致,存在滯后性,導(dǎo)致各點壓力波動幅度較大,出現(xiàn)這種波動現(xiàn)象.這種波動雖然在理論上可以消除,但實際中只能通過盡量提高控制閥的性能參數(shù)來降低.當(dāng)各控制閥都完成切換后,1點、2點和3點壓力逐漸升高,且隨著時間的增加,增加的幅值逐漸減小,在換向8s后(圖中虛線位置),基本上穩(wěn)定在各自的壓力值上.理論上講,理想氣體流動方向改變會導(dǎo)致壓力突變,不存在一個漸變過程;由于實際氣體具有無定形性、可壓縮性、黏性和慣性作用,在流動方向突然改變后,壓力也突變,但是還會經(jīng)過一個壓力穩(wěn)定時間,且隨著流量的增加,壓力穩(wěn)定時間增長,如圖6所示.隨著空截面流速的增大,最小換向穩(wěn)定時間明顯增大,呈現(xiàn)出拋物線關(guān)系,燃燒器內(nèi)部孔徑變化對系統(tǒng)換向穩(wěn)定時間影響不大.因此,往復(fù)式換向控制系統(tǒng)要在一定工況下正常運(yùn)行,最小換向半周期Tmin要大于最小換向穩(wěn)定時間,即換向控制系統(tǒng)的滯后時間和流動方向改變造成的壓力穩(wěn)定時間之和.圖7是不同換向半周期對系統(tǒng)各點壓力波動幅值的影響.其它條件相同的情況下,換向半周期為10s、20s、30s時,各點壓力波動幅值基本重合;換向半周期為5s時,壓力波動幅值和其它換向半周期的有所差別,特別在A側(cè),壓力波動幅值差別明顯.這是由于換向半周期變小,在小于系統(tǒng)換向穩(wěn)定時間后,內(nèi)部壓力在未完全達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)就切換到下半周期而造成的;其次,從設(shè)備使用壽命看,換向半周期太小,控制閥切換頻率過高,會大大降低使用壽命;第三,從燃燒的角度分析,半周期太小,容易造成燃燒器內(nèi)氣體燃料不能充分燃燒,降低燃燒效率,甚至不能穩(wěn)定燃燒(半周期也不能太長),所以,換向半周期同樣不宜太小.此外,A、B側(cè)對應(yīng)各點壓力波動幅值并非相等,原因在于燃燒器和蓄熱器內(nèi)多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,導(dǎo)致A、B兩側(cè)結(jié)構(gòu)并非完全對稱,兩側(cè)對應(yīng)點壓力波動存在差別.2.2.2次風(fēng)比a和b側(cè)各點靜壓分布圖8是組合4在T1半周期內(nèi),V1、V2不變的情況下,二次風(fēng)比對系統(tǒng)各點壓力波動的影響.如圖所示,隨著二次風(fēng)比增加,B側(cè)各點靜壓值逐漸增大,A側(cè)各點壓力在二次風(fēng)比α<0.5時,基本保持不變,大于0.5時,略有下降.這是由于T1半周內(nèi),二次風(fēng)需沿B側(cè)進(jìn)入燃燒器A與一次風(fēng)匯合,隨著二次風(fēng)比增大,流經(jīng)B側(cè)氣體比例不斷增加,沿程阻力損失增大,B側(cè)各點靜壓不斷增加;但在A側(cè),一、二次風(fēng)在燃燒器A匯合后,總風(fēng)量仍然不變,即V1、V2不變,各點靜壓基本不變;二次風(fēng)比α>0.5后,各點靜壓值略有降低,可能由于二次風(fēng)成為主要進(jìn)風(fēng)量,進(jìn)口靜壓過大,系統(tǒng)出口流速相對加快,A側(cè)壓力略有降低.同理,T2半周期內(nèi),由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的對稱性和流體流動方向的互換性,A、B兩側(cè)各點定性分布仍如圖8所示,只是各對應(yīng)點的靜壓值互換.圖9是在一個周期內(nèi),B側(cè)壓力隨二次風(fēng)比的變化.在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)和總風(fēng)量不變的情況下,T1半周期內(nèi),二次風(fēng)沿B側(cè)進(jìn)入燃燒器A匯合,隨二次風(fēng)比增大,沿程阻力損失增大,各點靜壓增大;T2半周期內(nèi),二次風(fēng)沿A側(cè)進(jìn)入燃燒器B匯合,總風(fēng)量仍然不變,流動阻力損失不變,B各點壓力基本不變.二次風(fēng)比α>0.5后,B側(cè)各點靜壓值略有降低,可能由于二次風(fēng)成為主要進(jìn)風(fēng)量,進(jìn)口靜壓過大,系統(tǒng)出口流速相對加快,B側(cè)壓力略有降低.2.2.3燃燒系統(tǒng)優(yōu)化圖10是在組合3下,換向半周期為20s,不同二次風(fēng)比下,系統(tǒng)最大波動幅值隨空截面流速的變化,圖中選取一、二次風(fēng)匯合后流經(jīng)燃燒器內(nèi)空截面流速V1為橫坐標(biāo).如圖所示,隨著空截面流速增加,系統(tǒng)波動幅值逐漸增大,且在空截面流速小于1.5m/s時,壓力波動幅值較小,隨后,空截面流速增大,壓力波動增加迅速,大體呈拋物線關(guān)系.這是因為較小流速下,根據(jù)達(dá)西定律,多孔介質(zhì)內(nèi)流動阻力損失基本和流速呈線性關(guān)系,流動阻力損失較小,壓力波動幅值較小;隨著流速的增大,達(dá)西定律不再適應(yīng),多孔介質(zhì)阻力損失和流速呈現(xiàn)出介于線性和拋物線之間的非線性關(guān)系;流速進(jìn)一步增大成為充分發(fā)展的湍流時,流動阻力損失基本上與速度的平方成正比,呈拋物線分布;本試驗流動范圍(20<Re<700)正好是處于過渡流到完全充分發(fā)展的湍流范圍之間,拋物線關(guān)系并不明顯.從燃燒角度分析,在當(dāng)量比不變的情況下,空截面流速增加,燃燒負(fù)荷增加,系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性提高;燃燒負(fù)荷不變的情況下,空截面流速增加,當(dāng)量比降低,系統(tǒng)燃燒穩(wěn)定性降低.隨著空截面流速增加,燃燒火焰向下游移動,當(dāng)空截面流速達(dá)到一定程度時,甚至使燃燒火焰漂移到燃燒器外,系統(tǒng)不能穩(wěn)定燃燒.空截面流速大小的選取和燃燒器結(jié)構(gòu)相關(guān).由圖10還可以看出二次風(fēng)比變化對壓力波動幅值的影響.在二次風(fēng)比α<0.5時,系統(tǒng)壓力波動幅值變化不大;二次風(fēng)比α>0.5后,壓力波幅值增加偏大,且隨著二次風(fēng)比越大,增大幅值越大.這是因為在二次風(fēng)比α<0.5時,一次風(fēng)量大于二次風(fēng)量,在總風(fēng)量中占主導(dǎo)地位,系統(tǒng)內(nèi)部的壓力波動相對較小;當(dāng)二次風(fēng)比大于0.5后,二次風(fēng)大于底部一次風(fēng)量,成為系統(tǒng)主要進(jìn)風(fēng)量,湍流程度加劇,沿程加長流動阻力損失迅速增大,波動幅值增加顯著.從燃燒角度分析,二次風(fēng)比較小時,預(yù)熱溫度較高;二次風(fēng)比增大,預(yù)熱溫度有所降低,但二次風(fēng)量增加使帶入燃燒器的熱量增多,同樣強(qiáng)化燃燒;二次風(fēng)比過大,預(yù)熱溫度繼續(xù)降低,降低燃燒穩(wěn)定性.同時,二次風(fēng)比過大,對燃燒火焰(一次風(fēng))產(chǎn)生抑制作用,使其只能在二次風(fēng)入口位置以下燃燒,不能充分燃燒,甚至熄火,因此,二次風(fēng)不易過大,存在最佳二次風(fēng)比.2.2.4多孔介質(zhì)組合圖11是二次風(fēng)比α=0.5,換向半周期為20s,不同空截面流速下,四種結(jié)構(gòu)參數(shù)組合對系統(tǒng)壓力波動特性的影響.如圖所示,組合3波動幅值最小,組合1次之,組合2較大,組合4最大.這是由于組合3在燃燒器和蓄熱器內(nèi)使用了較大孔徑的泡沫陶瓷和蜂窩蓄熱體,其它條件相同時,沿程阻力損失較小,壓力波動幅值較小;組合1燃燒器內(nèi)為漸變型多孔介質(zhì)(孔徑漸變),阻力損失相對較小,壓力波動幅值較小;組合2燃燒器內(nèi)為孔徑最小的多孔介質(zhì),阻力損失相對較大,壓力波動較大;組合4蓄熱器內(nèi)為空心花瓣狀蓄熱小球,小球空隙率遠(yuǎn)小于蜂窩陶瓷體,阻力損失最大,壓力波動幅值最大.從燃燒器燃燒和傳熱強(qiáng)化特性考慮,組合3泡沫多孔介質(zhì)孔徑較大,向上游輻射和傳遞熱量較大,容易造成燃燒火焰向上游移動,出現(xiàn)回火現(xiàn)象,火焰不易穩(wěn)定;組合1是多孔介質(zhì)孔徑漸變,由于孔徑由上游向下游依次增大,燃燒熱通過輻射傳遞的熱量以向下游傳遞為主,向上游傳遞熱量較小,不易發(fā)生回火,容易形成穩(wěn)定火焰.綜合考慮壓力波動和火焰穩(wěn)定性,組合1是一