达冠生物质燃烧传热
摘要：去耦室是脉动达冠生物质燃烧机的重要部件，除降低燃烧噪声外，其另一作用是保证尾管出口声学边界条件，维持整个达冠生物质燃烧机的运行性能。在一台无阀自激脉动达冠生物质燃烧机尾部建立了去耦室压力控制系统通过调节引风机前的阀门开度来改变去耦室内部压力即尾管出口压力大小（调节范围10～10 kPa），实验研究了去耦室压力变化对脉动达冠生物质燃烧机尾管传热的影响。结果表明：当去耦室压力高于或低于大气压力时|尾管中的传热系数均能提高，而去耦室压力为负值吼尾管传热系数相对较高；燃烧室压力幅值的大小和速度比的大小均能反映传热系数的高低。
    脉动燃烧的应用技术是通过脉动达冠生物质燃烧机来实现的，它的一个显著特点就是尾管传热系数非常大，通常能达到常规达冠生物质燃烧机的2～5倍[2]。传热会改变尾管内烟气的温度分布，进而影响脉动机理而掌握尾管传热的机理，能够优化高传热系数脉动燃烧器的设计，使脉动燃烧系统的换热器更紧凑。目前，国内外这方面研究普遍侧重于用运行频率、脉动压力振幅和平均流速来对尾管的传热特性进行阐述‘3。卅，缺乏从去耦室压力对尾管传热特性影响方面的探索和思考。从脉动达冠生物质燃烧机原理上看，尾管出口处压力脉动振幅应为零，但实际研究发现燃烧器运行中仍会有一定的声能从这里辐射出来，去耦室的声学特性必将影响到达冠生物质燃烧机的运行特性。因此，研究去耦室压力对脉动燃烧特性的影响有利于合理地解释脉动燃烧、传热现象，进而准确地理解脉动燃烧机理。
    本文在自激脉动达冠生物质燃烧机实验台尾部建立了去耦室压力控制系统通过调节引风机前的阀门开度来改变去耦室内部压力大小，使压力在  10～10 kPa之间变化，实验研究了去耦室压力变化对脉动燃烧器尾管传热的影响。
1  实验系统装置
1 1达冠生物质燃烧机的结构
    本实验系统的核心为一台无阀白激脉动燃烧器，它主要由混合室、燃烧室、点火器、尾管组成。为了在实验过程中能够观察到燃烧室内的燃烧状况，分别在混合室的端部和燃烧室的侧面安装了石英玻璃视镜，如图1、图2所示。其中尾管长度为1- Im，内径0 026 m。
    与传统的H elmholtz型脉动达冠生物质燃烧机的区别在于：在空气和燃料的进口通道上取消了膜片式（或簧片式）的单向阀，燃料和空气非预混供给采用连续供气的方式保证脉动燃烧，不存在因阀门开启和关闭时序上的差异造成注入混合室或燃烧室内反应物混合比的脉动问题，它是反应物流量的脉动导致的周期性燃烧放热过程在实现强化燃烧的同时还保证了燃烧的稳定，能够扩大燃烧参数的调整范围。由于整个结构减少了活动部件从而不仅提高了设备使用寿A，也降低了运行噪声。
1 2达冠生物质燃烧机的工作原理
    燃气和空气通过供气装置和风机，经喷口垂直进入混合室，以使混合均匀。在混合室昀尾部（通向燃烧室的一侧），脉冲点火器将混合气体点燃。燃烧伴随着放热使燃烧室内的压力上升，当压力大于混合室内的压力时，燃烧室内热燃气进入混合室。由于燃气和空气喷口截面与回流气体流速平行，且其截面积都很小，阻力很大，而喷口前的压力较大，从而有效消除了倒流至供气装置中的可能，热燃气只能沿尾管向后流动、膨胀排出，由此，燃烧室内的压力随之下降。当燃烧室压力下降到低于混合室出口压力时，新的空气和燃气又重新进入燃烧室。与此同日寸，由于沿尾管高速流动气流的惯性作用，在燃烧室内形成一定的负压，使部分燃烧产物从尾管回流到燃烧室，并与新吸入的燃气和空气在燃烧室内压缩混合，使燃烧室内压力回升，并被热燃气加热，自动地被上一周期残留下的火焰点燃，燃烧、放热，开始了新一周期的燃烧排气过程。这种周期性的燃烧过程自行循环，不再需要点火。
1 3去耦室控制系统
    脉动燃烧是脉冲式的爆燃，在脉动达冠生物质燃烧机运行时，会发出很大噪声，燃烧室的脉动气流是主要噪声源。同时，脉动燃烧耦合性很高，当尾部声学条第1 1期翟明等：去耦室压力变化对脉动达冠生物质燃烧机尾管传热的影响    2701。件发生改变时，必然会对脉动达冠生物质燃烧机运行特性产生影响。为控制燃烧噪声和尾部声学条件随机波动，必须设置去耦室。去耦室的另一个作用是：保持尾管出口压力稳定，避免外界压力变化影响燃烧状态，确保燃烧稳定地脉动。
    本实验去耦室控制系统如图3所示，主要由去耦室、风机和闸阀等组成。为实现降低噪声、减少尾管出口压力波动的目a<J,通常要求去耦室体积是燃烧室的5倍以上，且越大越好。本实验中的去耦室容积约是燃烧室的88倍，满足实验要求。
    由图3可知，风机的通风量一部分为脉动燃烧器的烟气流量，从闸阀1进入；一部分来自外界空气，从闸阀2进入。在不改变风机运行状态的条件下，开大闸阀1、关小闸阀2，则风机对去耦室的抽吸作用加大，从而导致去耦室内部压力降低为负压；关小闸阀1、开大闸阀2，则风机对去耦室的吸作用减小，同时增大了排烟的局部阻力，从而使得去耦室内部压力升高为正压。因此，通过调节闸阀1和闸阀2的开度大小，可实现改变去耦室内部压力的目的。参照匪力传感器测得的压力值，可其调至预期压力。实验中，去耦室压力的变化调节范围为  10～10 kPa。
1 4测量仪表
    热电偶，S型，上海虹天仪表厂；压力传感器为扩散硅压阻式传感器，PCM300,南京沃天科技有限公司；流量计为浮子流量计，LZ B-10、LZB-40,浙江余姚市工业自动化仪表厂。为了尽可能地减小测量仪表对脉动达冠生物质燃烧机内流场的影响，除尾管进出口处热电偶测中心温度外，其余测点近壁面设置。烟气分析仪，DH-9003，南京分析仪器厂有限公司，用于烟气成分分析，并以此计算过量空气系数、校正流量计的误差。实验数据由专用的工控机采集卡（PCL-818LS，台湾研华科技股份有限公司）实时采集，采集频率最高可达40 kHz。
2实验结果
    实验在同一燃气流量、同一过量空气系数下进行，对尾管采用水冷。计算过程中，壁面温度按等壁温处理，测得壁温约为90 0Co
    根据式(1)和表1可得尾管传热系数的测量值。尾管传热系数随去耦室压力的变化如图4所示。由图可知，去耦室压力为负压时，尾管传热系数先随去耦室压力降低而升高，在  6 kPa附近达到峰值，比去耦室压力接近0时的大约提高了28‰之后，随去耦室压力降低而降低；去耦室压力为正压时，尾管传热系数先随去耦室压力升高而高在6 kPa附近达到峰值，比去耦室压力接近0时的大约提高了95%，之后，又随去耦室压力升高而降低。从图4可以看出，整体趋势是：去耦室压力为负值时，尾管传热系数相对较高。
3  结果分析
3 1去耦室压力对燃烧室压力、频率的影响
    燃烧室压力的大小决定了尾管入口压力的大小。如图5所示去耦室压力为负压时，燃烧室压力幅值随去耦室压力降低而升高，在6 kPa附近到峰值，之后，随去耦室压力降低而降低；去耦室压力为正压时，燃烧室压力幅值随去耦室压力升高而降低，在4～6 kPa时随去耦室压力升高而升高，之后，又随去耦室压力升高而降低。由图5可纵看出，去耦室压力为负值时，燃烧室压力幅值较大。
    达冠生物质燃烧机运行频率随去耦室压力的变化如图6所示。由图可知，去耦室压力为负压时，运行频率随去耦室压力降低而降低，在  6 kPa处达到最小值，之后，随去耦室压力降低而升高；去耦室压力为正压时，燃烧室压力幅值随去耦室压力升高而升高，在6 kPa附近又突然降低，之后，又随去耦室压力升高而升高。
    对比图5、图6可知，运行频率的变化趋势与燃烧室压力幅值的变化趋势正好相反。表明压力振幅越大，气体膨胀和压缩时所需的时间就会越长，从而使得频率越低；压力振幅越小，则气体膨胀和压缩时所需的时间就会越短，从而使得频率越大。
    对照图4和图5，可以看出两图曲线的趋势基本一致，说明压力幅值的大小可以反映传热系数的大小。
3 2去耦室压力对速度比的影响
    脉功燃烧中，速度比丫是指气体的脉动速度与平均气体流速的比值，它是表征传热系数大小的重要参数
    气体的脉动速度比气体本身的平均流速要大，会使气体在一定时间内形成逆流，增加了边界层的剪切力；同时，正向流动时，瞬时速度也远大于平第1 1期翟明等：去耦室压力变化对脉动达冠生物质燃烧机尾管传热的影响    2703。均流速。在这两种影响的作用下，可以产生远大于平均Reynolds数下应有的扰动程度，从而削弱了热边界层的厚度，强化了传热。因此速度比越大，气体扰动越剧烈，越有利于传热【10-171。
    具有Helm holtz共振结构的达冠生物质燃烧机，其声学特性近似为线性的，均方根压力P rm。与速度振幅即脉动速度直接相关，这一现象己被Dec等”调所证实。对于声学共振波，压力的峰值Pma对应着脉动速度的峰值，即式(3)描述的是尾管出口处的最大速度脉动值；然而，速度脉动沿尾管上游按正弦衰减阳。那么，沿尾管长度对脉动速度积分即可得气体脉动速度平均值
    实验中使用雨烷为燃料，空气为氧化剂。为简化计算，把空气视为20 9%的氧气和79. 1%的氮的混合物。丙烷在空气稍有过剩时极易燃烧完全，故不考虑可能存在的非完全燃烧物，可将燃烧产物看成由氮气、二氧化碳、水蒸气和过量空气组成的混合气体
联立式(2)～式(9)即可得各工况的速度比。速度比随去耦室压力的变化如图7所示。去耦室压为为负压时，速度比随去耦室压力降低而升高，在  6kPa处达到峰值，之后，随去耦室压力降低而降低；去室压力为正压时，速度比随去耦室压力升高而降低，在6 kPa附近又突然增大，之后，又随去耦室压力升高而降低。去耦室压力为负值时，速比相对较大。
4结论
    本文研究了去耦室压力对燃气脉动达冠生物质燃烧机尾管传热的影响。通过调节去耦室控制系统的闸阀开度大小，达到预期的压力，在不同去耦室压力下进行实验、测量、计算，得到以下结论。
    (1)去耦室压力为负压时，尾管传热系数随去耦室压力降低而升高，在  6 kPa附近达到峰值，比去耦室压力接近0时的大约提高了28%，之后，随去耦室压力降低而降低。
    (2)去耦室压力为正压时，尾管传热系数随去耦室压力升高而升高，在6kPa附近达到峰值，比去耦室压力接近0时的大约提高了9 5%，之后，又随去耦室压力升高而降低。
    (3)去耦室压力无论正负均能提高尾管的传热系数，但负值时传热系数相对较高。
    (4)燃烧室压力幅值的大小和速度比的大小均能反映传热系数的高低。
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