往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)流動(dòng)特性的試驗(yàn)研究
摘要：研究了往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)在冷態(tài)條件下氣流在其中的流動(dòng)特性規(guī)律。在多孔介質(zhì)的類型和運(yùn)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(jī)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(shí)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(jì)算壓降的簡(jiǎn)單數(shù)學(xué)模型，理論模型的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(duì)流沖刷進(jìn)行熱交換，熱效率低；燃燒穩(wěn)定性比較差，燃燒負(fù)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(jiǎn)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(dòng)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(jī)污染物的燃燒凈化[q。該技術(shù)在提高燃燒效率、擴(kuò)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(guó)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(xiàn)資料中，國(guó)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(jī)是基于RSCP的新型的生物質(zhì)燃燒機(jī)。本文研究冷氣流在燃燒系統(tǒng)中交替流動(dòng)時(shí)，在不同的實(shí)驗(yàn)條件下系統(tǒng)壓降的變化以及系統(tǒng)的流動(dòng)穩(wěn)定狀況，為該燃燒系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)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(jī)試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法
 往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)結(jié)構(gòu)對(duì)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(jì)、空氣供給系統(tǒng)、燃?xì)夤┙o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(yàn)氣體通過質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)入預(yù)混室，首先通過電控閥1進(jìn)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(jìn)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(shí)將電控閥2、3打開，這時(shí)實(shí)驗(yàn)氣體通過電控閥2進(jìn)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(jìn)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(yàn)中，上述過程重復(fù)進(jìn)行。
  多孔介質(zhì)燃燒系統(tǒng)中氣體進(jìn)出是由兩組電控閥（1、4和2、3）來控制。如果在一組同時(shí)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(duì)前面的電控閥1(2)打開時(shí)間延遲，造成氣體的瞬時(shí)堵塞，測(cè)點(diǎn)壓力瞬間升高很快。反之，則測(cè)點(diǎn)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(dòng)的穩(wěn)定性。
  試驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行的，通過質(zhì)星流量計(jì)調(diào)節(jié)試驗(yàn)氣體的流量來改變生物質(zhì)燃燒機(jī)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(yàn)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(cè)點(diǎn)壓力是由壓力傳感器測(cè)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(shí)間，兩組電磁閥相互切換的間隔時(shí)間為周期切換時(shí)間?？战孛媪魉偬鹗窃囼?yàn)氣體通過生物質(zhì)燃燒機(jī)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(yàn)中，兩側(cè)的多孔介質(zhì)厚度相等，設(shè)定采樣時(shí)間0.118s，周期切換時(shí)間為5s。
3試驗(yàn)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(jī)系統(tǒng)的阻力特性，保持通過多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)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(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)壓，得到一系列的阻力特性鹽線。典型的試驗(yàn)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(dòng)，測(cè)點(diǎn)壓力也隨著周期性的變仳。在每一個(gè)周期內(nèi)，壓力的突變發(fā)生在換向的時(shí)候，一開始?jí)毫ν蝗簧?，然后迅速下降，直至壓力穩(wěn)定。在壓力穩(wěn)定一段時(shí)間后，電控閥開始換向，此時(shí)測(cè)點(diǎn)壓力先迅速下降，然后迅速上升，之后達(dá)到穩(wěn)定。在多次循環(huán)換向的過程中，每一個(gè)周期的壓力變化曲線是很相近的。
  從開始換向到第一次達(dá)到流動(dòng)穩(wěn)定的間隔時(shí)間定義為穩(wěn)定時(shí)間。圖2中的穩(wěn)定時(shí)間為1.5s。穩(wěn)定時(shí)間是系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)候重要參數(shù)之一，它是系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定流動(dòng)所需的最小時(shí)間。它為系統(tǒng)周期換向時(shí)間的選擇提供重要的理論數(shù)據(jù)。
3.2空截面流速對(duì)穩(wěn)定時(shí)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(shí)間f的變化情況?？梢钥闯龆嗫捉橘|(zhì)厚度在170、130、90mm時(shí)，隨著空截面流速“的增加，穩(wěn)定時(shí)間≠基本不變。可以得知，在生物質(zhì)燃燒機(jī)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(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)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(shí)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(dòng)的雷諾數(shù)增加，從而增加了氣流的紊流趨勢(shì)，使得系統(tǒng)內(nèi)流動(dòng)趨向穩(wěn)定的時(shí)間增加，從而使得系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間略微增加。在上述試驗(yàn)條件下，穩(wěn)定時(shí)間f基本保持不變（t=1.2s）。
3.3 多孔介質(zhì)厚度對(duì)穩(wěn)定時(shí)間的影響
  影響穩(wěn)定時(shí)間的另一個(gè)參數(shù)是多孔介質(zhì)的厚度，因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)的泡沫結(jié)構(gòu)影響氣流的流動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)間f基本保持不變。這說明多孔介質(zhì)的厚度乃對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)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(shí)，穩(wěn)定時(shí)間f保持在1.2s。
3.4 空截面流速、多孔介質(zhì)厚度對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)出口壓降的影響
  生物質(zhì)燃燒機(jī)的進(jìn)出口壓降A(chǔ)P是生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)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(gè)參數(shù)對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)出口壓降的規(guī)律曲線（圖5），同時(shí)得到了多孔介質(zhì)厚度對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)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(jìn)出口壓降A(chǔ)P隨著空截面流速“的變化趨勢(shì)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(jī)的進(jìn)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(jī)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(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)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(shì)也相同。也就是說往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的進(jìn)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(jiǎn)單阻力數(shù)學(xué)模型
  通過多孔介質(zhì)的流體流動(dòng)所形成的壓降是由同時(shí)運(yùn)動(dòng)能量損失和粘滯能量損失所引起的。
  之后學(xué)者們對(duì)上面的計(jì)算公式進(jìn)行了改進(jìn)，提出了適用于通過具體的不同物體的壓降計(jì)算公式，其中也包括通過不同類型介質(zhì)的壓降計(jì)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(yàn)數(shù)據(jù)根據(jù)公式(2)進(jìn)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(jì)算公式，用它計(jì)算所得的理論模型結(jié)果與試驗(yàn)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(jì)算值和試驗(yàn)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(jì)算值和試驗(yàn)得到的試驗(yàn)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(jī)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(jī)的周期性運(yùn)伉生物質(zhì)燃燒機(jī)各測(cè)點(diǎn)壓力隨著發(fā)生周期性的變化，并且各個(gè)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(jī)的壓降A(chǔ)P與往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)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(jī)的壓降A(chǔ)P與往復(fù)式多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)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(jī)的穩(wěn)定時(shí)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(jī)的壓降符合Ergun公式。

生物質(zhì)氣化站，598jx