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往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機流動特性的試驗研究
摘要：研究了往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機在冷態(tài)條件下氣流在其中的流動特性規(guī)律。在多孔介質(zhì)的類型和運行溫度不變的情況下，往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的壓降與空截面流速的平方成正比，與多孔介質(zhì)的厚度成正比；燃燒器的穩(wěn)定時間基本不受多孔介質(zhì)厚度和空截面流速的影響。建立了計算壓降的簡單數(shù)學(xué)模型，理論模型的計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)符合較好。
  氣體燃料的燃燒主要是以自由火焰為特征的空間燃燒（或者直流燃燒技術(shù)）。以該種燃燒方式燃燒時，火焰面附近的溫度梯度陡而且分布不均，局部高溫區(qū)的存在使得大量NO。生成，造成大氣污染；燃燒反應(yīng)的完成需要較大的空間，要求燃燒設(shè)備體積龐大，其應(yīng)用受到空間限制；配套使用的換熱設(shè)備主要以煙氣輻射和對流沖刷進行熱交換，熱效率低；燃燒穩(wěn)定性比較差，燃燒負荷調(diào)節(jié)能。
  往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)(ReciprocatingSu-peradiabaticCombustioninPorousMedia，以下簡稱RSCP)最早是HanamuraK和EchigoR在1993年提出的H，后來有人稱作多孔介質(zhì)中往復(fù)流動下的超絕熱（超焓火焰）燃燒技術(shù)[51。這種燃燒技術(shù)已經(jīng)在瑞典成功應(yīng)用于汽車噴漆車間排氣中有機污染物的燃燒凈化[q。該技術(shù)在提高燃燒效率、擴展可燃極限、節(jié)約燃料、改善環(huán)境以及處理各類垃圾和廢棄物等方面具有其他燃燒技術(shù)不可比擬的優(yōu)越性。
  國內(nèi)在冶金工業(yè)爐中應(yīng)用的高溫低氧燃燒(HighTemperatureAirCombustion筒稱HTAC)也是把RSCP的原理應(yīng)用到冶金工業(yè)爐中嗍。不過兩者有很大的區(qū)別，HATC把多孔介質(zhì)僅僅作為換熱器來用，燃燒在自由大空間中完成的，而RSCP燃燒則發(fā)生在多孔介質(zhì)里面。在已發(fā)表的文獻資料中，國內(nèi)RSCP技術(shù)的研究和應(yīng)用RSCP的燃燒器開發(fā)尚不多見。
  往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機是基于RSCP的新型的生物質(zhì)燃燒機。本文研究冷氣流在燃燒系統(tǒng)中交替流動時，在不同的實驗條件下系統(tǒng)壓降的變化以及系統(tǒng)的流動穩(wěn)定狀況，為該燃燒系統(tǒng)的設(shè)計和運行提供理論依據(jù)。
2往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機試驗裝置與試驗方法
 往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機結(jié)構(gòu)對稱（圖1），系統(tǒng)主要包括換熱器、多孔介質(zhì)蓄熱式燃燒室、緩沖箱、電磁閥、預(yù)混室、質(zhì)量流量計、空氣供給系統(tǒng)、燃氣供給系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、壓力傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗氣體通過質(zhì)量流量計進入預(yù)混室，首先通過電控閥1進入左側(cè)多孔介質(zhì)蓄熱式燃燒室（電控閥2、3關(guān)閉），然后經(jīng)過換熱器，再進入右側(cè)多孔介質(zhì)蓄熱式燃燒室，經(jīng)電控閥4排出。該流程完成后，通過可編程控制系統(tǒng)關(guān)閉電控閥1、4同時將電控閥2、3打開，這時實驗氣體通過電控閥2進入右側(cè)多孔介質(zhì)蓄熱式燃燒室，然后經(jīng)過換熱器，再進入左側(cè)多孔介質(zhì)蓄熱式燃燒室，經(jīng)電控閥3排出。試驗中，上述過程重復(fù)進行。
  多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)中氣體進出是由兩組電控閥（1、4和2、3）來控制。如果在一組同時通電的電控閥1、4(2、3)中，沿氣流方向在后面的電控閥4(3)相對前面的電控閥1(2)打開時間延遲，造成氣體的瞬時堵塞，測點壓力瞬間升高很快。反之，則測點壓力突變就較小。這就要求每組電磁閥必須同步開關(guān)，以保證系統(tǒng)氣流流動的穩(wěn)定性。
  試驗是在常溫下進行的，通過質(zhì)星流量計調(diào)節(jié)試驗氣體的流量來改變生物質(zhì)燃燒機的空截面流速，增減燃燒室內(nèi)泡沫陶瓷片的片數(shù)來改變多孔介質(zhì)的厚度。試驗所用的多孔介質(zhì)是泡沫陶瓷片（主要成分為Al203），其空隙率為82%～86%。
  測點壓力是由壓力傳感器測得的。定義壓力傳感器采集壓力數(shù)據(jù)頻率的倒數(shù)為采樣時間，兩組電磁閥相互切換的間隔時間為周期切換時間。空截面流速甜是試驗氣體通過生物質(zhì)燃燒機內(nèi)多孔介質(zhì)空截面的氣流速度。多孔介質(zhì)厚度五是燃燒器左右兩側(cè)中單側(cè)的多孔介質(zhì)高度。試驗中，兩側(cè)的多孔介質(zhì)厚度相等，設(shè)定采樣時間0.118s，周期切換時間為5s。
3試驗結(jié)果與分析
3.1等空截面流速等厚度的阻力特性
  為了研究生物質(zhì)燃燒機系統(tǒng)的阻力特性，保持通過多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的空截面流速“恒定，在多孔介質(zhì)厚度矗不變的條件下，對各個測點進行測壓，得到一系列的阻力特性鹽線。典型的試驗結(jié)果曲線如圖2所示。
  由圖2可以看出，隨著往復(fù)式多孔介質(zhì)燃燒器中的氣流周期性的換向流動，測點壓力也隨著周期性的變仳。在每一個周期內(nèi)，壓力的突變發(fā)生在換向的時候，一開始壓力突然升高，然后迅速下降，直至壓力穩(wěn)定。在壓力穩(wěn)定一段時間后，電控閥開始換向，此時測點壓力先迅速下降，然后迅速上升，之后達到穩(wěn)定。在多次循環(huán)換向的過程中，每一個周期的壓力變化曲線是很相近的。
  從開始換向到第一次達到流動穩(wěn)定的間隔時間定義為穩(wěn)定時間。圖2中的穩(wěn)定時間為1.5s。穩(wěn)定時間是系統(tǒng)運行時候重要參數(shù)之一，它是系統(tǒng)達到穩(wěn)定流動所需的最小時間。它為系統(tǒng)周期換向時間的選擇提供重要的理論數(shù)據(jù)。
3.2空截面流速對穩(wěn)定時間的影響
  圖3給出了多孔介質(zhì)厚度五分別保持在90、130和170mm，不同空截面流速“下的系統(tǒng)穩(wěn)定時間f的變化情況?？梢钥闯龆嗫捉橘|(zhì)厚度在170、130、90mm時，隨著空截面流速“的增加，穩(wěn)定時間≠基本不變?？梢缘弥?，在生物質(zhì)燃燒機的幾何參數(shù)不變以及多孔介質(zhì)厚度不變的情況下，空截面流速“對生物質(zhì)燃燒機系統(tǒng)穩(wěn)定時間f影響較小。
  從圖3中還可以發(fā)現(xiàn)，在空截面流速“增大的情況下，穩(wěn)定時間f稍變大。隨著空截面流速甜增大，氣流在多孔介質(zhì)內(nèi)流動的雷諾數(shù)增加，從而增加了氣流的紊流趨勢，使得系統(tǒng)內(nèi)流動趨向穩(wěn)定的時間增加，從而使得系統(tǒng)的穩(wěn)定時間略微增加。在上述試驗條件下，穩(wěn)定時間f基本保持不變（t=1.2s）。
3.3 多孔介質(zhì)厚度對穩(wěn)定時間的影響
  影響穩(wěn)定時間的另一個參數(shù)是多孔介質(zhì)的厚度，因為多孔介質(zhì)的泡沫結(jié)構(gòu)影響氣流的流動穩(wěn)定。在空截面流速一定條件下，多孔介質(zhì)厚度與穩(wěn)定時間的關(guān)系如圖4所示。在三種不同的多孔介質(zhì)厚度下，穩(wěn)定時間很接近。由圖4可知，在空截面流速“不變的條件下，隨著多孔介質(zhì)厚度五的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定時間f基本保持不變。這說明多孔介質(zhì)的厚度乃對系統(tǒng)的穩(wěn)定時間f的影響很小。在空截面流速分別為u-0.316、0.632、0.947m/s時，穩(wěn)定時間f保持在1.2s。
3.4 空截面流速、多孔介質(zhì)厚度對生物質(zhì)燃燒機進出口壓降的影響
  生物質(zhì)燃燒機的進出口壓降A(chǔ)P是生物質(zhì)燃燒機設(shè)計和運行昀重要理論數(shù)據(jù)之一。本文研究了空截面流速甜和多孔介質(zhì)厚度力兩個參數(shù)對生物質(zhì)燃燒機進出口壓降的影響，得到了在多孔介質(zhì)的厚度矗不變的條件下，空截面流速與生物質(zhì)燃燒機進出口壓降的規(guī)律曲線（圖5），同時得到了多孔介質(zhì)厚度對生物質(zhì)燃燒機進出口壓降的影響（圖6）。
  由圖5可知，不同的多孔介質(zhì)厚度五下，進出口壓降A(chǔ)P隨著空截面流速“的變化趨勢基本一致。隨著多孔介質(zhì)截面流速“的增加，往復(fù)式研究與探討多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的進出口壓降A(chǔ)P隨著其值大，基本上是二次曲線的形狀。也就是說往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的壓降A(chǔ)P與通過多孔介質(zhì)氣流空截面速度甜的平方基本成正比關(guān)系。
  圖5空截面流速對生物質(zhì)燃燒機進出口壓降的影響
  由圖6可知，在剛玉管內(nèi)多孔介質(zhì)的空截面流速“不變的情況下，隨著多孔介質(zhì)厚度向的增加，往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機進出口壓降A(chǔ)P也隨之增大，基本是一次直線的形狀。在不同的空截面流速下，其變化的趨勢也相同。也就是說往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的進出口壓降印與多孔介質(zhì)厚度h成正比關(guān)系。在等多孔介質(zhì)厚度的條件下，壓降隨著空截面流速u的增大而增大。
4多孔介質(zhì)簡單阻力數(shù)學(xué)模型
  通過多孔介質(zhì)的流體流動所形成的壓降是由同時運動能量損失和粘滯能量損失所引起的。
  之后學(xué)者們對上面的計算公式進行了改進，提出了適用于通過具體的不同物體的壓降計算公式，其中也包括通過不同類型介質(zhì)的壓降計算公式。在多孔介質(zhì)的研究方面，Ergun等人根據(jù)Reynolds公式，提出了適用于多孔介質(zhì)的壓降公式
  將試驗數(shù)據(jù)根據(jù)公式(2)進行回歸，可得到系數(shù)Ci和C2，Ci、C2僅與多孔介質(zhì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)。從而得到壓降計算公式，用它計算所得的理論模型結(jié)果與試驗結(jié)果比較見圖7和圖8。在多孔介質(zhì)厚度h-定、截面流速變化的條件下(圖7)理論模型得到的計算值和試驗值基本吻合。在空截面流速一定、多孔介質(zhì)厚度變化的條件下(圖8)，用理論模型得到的計算值和試驗得到的試驗值吻合也較好。
5結(jié)論
  (1)在往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的空截面速度“一定和多孔介質(zhì)厚度力不變的情況下，隨著往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的周期性運伉生物質(zhì)燃燒機各測點壓力隨著發(fā)生周期性的變化，并且各個周期壓力變化規(guī)律基本相同；
  (2)在其他條件不變的情況下，往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的壓降A(chǔ)P與往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機空截面流速甜的平方基本成正比關(guān)系；
  (3)在其他條件不變的情況下，往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的壓降A(chǔ)P與往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的多孔介質(zhì)厚度五呈線性增大關(guān)系；
  (4)在其他條件不變的情況下，往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的穩(wěn)定時間f基本不受多孔介質(zhì)厚度矗以及空截面流速“影響；

  (5)往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的壓降符合Ergun公式。

生物質(zhì)氣化站，598jx