| 生物質(zhì)燃燒機性能的實驗研究 |
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鄭州達冠節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司
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生物質(zhì)燃燒機性能的實驗研究 摘要：為保證微型熱光電動力系統(tǒng)能穩(wěn)定、高效地工作，生物質(zhì)燃燒機壁面需有較高的溫度，且分布均勻，對采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的微型生物質(zhì)燃燒機進行了實驗研究，分析了孔隙率、CH4/02混合比等因素對生物質(zhì)燃燒機性能的影響，結(jié)果表明，采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)可以改善生物質(zhì)燃燒機內(nèi)的燃燒傳熱過程；合理選擇孔隙率和工況參數(shù)，可以優(yōu)化生物質(zhì)燃燒機壁面溫度分布，提高系統(tǒng)工作性能． 徼型熱光電（micro thermophotovoltaic，MTPV）動力系統(tǒng)是一種新概念的微動力系統(tǒng)，由熱光電( TPV)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)展而來．TPV系統(tǒng)的基本原理是把燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能以熱輻射形式釋放，使用光電池將其轉(zhuǎn)換成電能．TPV系統(tǒng)作為一種清潔、靜噪的電源，具有很多優(yōu)點：無運動部件、功率密度高、燃料范圍廣．最近幾年，由于低能帶隙光電池和耐高溫材料領(lǐng)域的進展，MTPV系統(tǒng)的研究引起了人們的關(guān)注．MT-PV系統(tǒng)在空間足度上的縮小，使面積／容積比率增大，可更充分地利用燃燒輻射來激發(fā)熱光電產(chǎn)生電流，提高能量轉(zhuǎn)換效率[1-31． MTPV系統(tǒng)主要包括3大部分：微型生物質(zhì)燃燒機、可選擇波長輻射器和光電池．其系統(tǒng)示意圖見圖1．微型燃燒器是MTPV系統(tǒng)中燃料燃燒釋放熱能的空間，作為MTPV系統(tǒng)的能量源，研究其結(jié)構(gòu)、燃燒和換熱過程，對改善燃燒、提高效率、降低污染排放、提高工作穩(wěn)定性有重要意義． 多孔介質(zhì)中的超絕熱燃燒是國外在20世紀80年代末和90年代中發(fā)展起來的新型燃燒技術(shù)[4]．但筆者尚未見到在諸如MTPV等微動力系統(tǒng)中應用的研究報告．現(xiàn)有MTPV微型生物質(zhì)燃燒機的缺陷在于預混合氣在微型火焰管內(nèi)的駐留時間太短，在其內(nèi)部不能充分燃燒，進而使經(jīng)火焰管壁面的熱傳導和輻射所傳遞的能量比例大大降低‘5-6．為了延長預混合氣在微型燃燒管內(nèi)的駐留時間、強化燃燒和傳熱，本文提出了在MTPV系統(tǒng)中采用多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的設(shè)想．讓混合氣在多孔介質(zhì)燃燒室中燃燒，利用其相對于自由空間的氣體而言強大得多的蓄熱功能和輻射特性，實現(xiàn)熱反饋，從而使燃燒反應大大增強，提高燃燒速度，使火焰溫度升高，并擴展混合氣的可燃極限．由于固體材料的熱傳導和輻射性能優(yōu)于氣體，使得多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機具有燃燒率高、火焰穩(wěn)定、易控制燃燒區(qū)溫度、壁面溫度分布相對均勻等特點‘7]，這對于利用壁面輻射傳遞能量的MIPV動力系統(tǒng)來說是最為理想的燃燒方式． 筆者通過實驗研究，探討了多孔介質(zhì)微型生物質(zhì)燃燒機在MIPV系統(tǒng)中的可行性，分析主要參數(shù)對燃燒過程的影響． 1 實驗裝置 本實驗所用燃料為CH4，并以02為助燃劑．實驗裝置如圖2歷示．流量控制系統(tǒng)采用美國MSK流量控制器，用來精確控制CH4和02的體積流量，按一定的混合比向生物質(zhì)燃燒機提供燃料混合氣． 生物質(zhì)燃燒機為圓管狀結(jié)構(gòu)，其材料選用了具有較強耐高溫性能的Al2 03陶瓷．生物質(zhì)燃燒機直徑為10 mm，長度為25 mm.在管內(nèi)填充不同直徑的陶瓷球形成多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)．陶瓷球的直徑為1~3 mm不等，經(jīng)過認真篩選，使每種測試的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)具有相同直徑的陶瓷球． 燃燒狀況通過測量生物質(zhì)燃燒機管壁和出口端面的溫度進行考察．用直徑為0.3 mm的S型鉑銠一鉑熱電偶進行測量．在沿燃燒管長方向布置5個測溫點，在出口沿徑向有5個測溫點． 2 實驗結(jié)果及分析 2.1 孔隙率￡的影響 孔隙率占是多孔介質(zhì)中空隙容積v.與多孔介質(zhì)總?cè)莘ev之比，是影響多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒傳熱的重要參數(shù)之一．根據(jù)在生物質(zhì)燃燒機管內(nèi)填充的陶瓷球直徑的不同，形成的多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率不同，在實驗研究中，采用了孔隙率占分別為0. 37、0.42、0.68的燃燒管和不填充陶瓷球的空管（占=1）． 表1為在不同的孔隙率8、不同面容比以（固體骨架總表面積A與多孔介質(zhì)總?cè)莘ev之比）、不同的入口流量Q時，混合燃氣化學當量比在a=l的條件下，通過實驗得到的燃烷器壁面的平均溫度（生物質(zhì)燃燒機壁面 5點測溫的算術(shù)平均值）． 由表l可見，人口流量Q= 105 CII13／mlll時，多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的壁面平均溫度均達到1 000 K以上，而空管生物質(zhì)燃燒機在Q= 150 CI113／IIUI1時壁面平均溫度才達到1 000 K，這也說明采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)可以獲得較高的燃料利用率． 圖3為不同的孔隙率對生物質(zhì)燃燒機壁面溫度和出口溫度影響的實驗結(jié)果．由圖3(a)可見，當孔隙率占等于1（空管）時，生物質(zhì)燃燒機壁溫從人口端到出口端逐漸升高且變化幅度較大，這說明由于在空管中燃氣駐留時間短，混合氣在通過生物質(zhì)燃燒機時，初期的燃燒放熱量較小，主要燃燒放熱集中在生物質(zhì)燃燒機的后段；當采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)時，混合氣體在其孔隙中流動、燃燒，多孔介質(zhì)固體骨架對其進行了有效的加熱，使之燃燒充分，多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機管壁溫度明顯高于空昝生物質(zhì)燃燒機．由圖3(b)可見，空管生物質(zhì)燃燒機的出口溫度則比較高，說明燃燒損失增加． 從實驗結(jié)果來看，采用多孔介質(zhì)后，從入口到出口，隨著燃燒放熱量的增大，生物質(zhì)燃燒機壁溫逐漸升高，同時孔隙內(nèi)的燃燒產(chǎn)物也在增多，使得后期的燃燒放熱受到影響，導致生物質(zhì)燃燒機壁溫有所降低，生物質(zhì)燃燒機壁溫呈先升后降的變化．而且隨著孔隙率占的減小，壁溫達到值的位置也向人口段移動，說明在孔隙率占較小時燃燒產(chǎn)物的存在對未燃燃料的燃燒影響加大． 實驗結(jié)果表明，當孔隙率艿由1減小到0. 68、0. 42時，生物質(zhì)燃燒機壁面溫度升高，且壁面溫度分布梯度減小，同時出口溫度降低．但當孔隙率占減小到0. 37時，生物質(zhì)燃燒機壁面溫度反而有所降低，出口溫度有所提高．這是由于當孔隙率占減小到一定程度時，面容比力隨之增大所致．雖然固體骨架對燃料進行了有效的加熱，使之燃燒充分，但是面容比的加大，使散熱面積相應增加，影響燃燒穩(wěn)定性，同時燃燒所占空間過小，使得燃料駐留時間減少，導致燃燒和換熱不充分． 2.2 CH4/02混合比的影響 燃燒反應的進行取決于燃料的濃度、溫度以及在高溫區(qū)的滯留時間，因此CH4/02混合氣的混合比是影響多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒過程的一個重要因素． 孔隙率占為0. 42，？昆合氣流量Q為150 cm3/min時，CH。/02當量比a對生物質(zhì)燃燒機壁溫和出口溫度的影響，見圖4． 由圖4可見，當孔隙率和混合氣流量不變時，隨著CH。/02混合比的變化，生物質(zhì)燃燒機壁溫及出口溫度也相應變化，根據(jù)反應方程，完全燃燒時，CH4/02泥合氣的混合比為1：2.因此，CH4/02混合比在1:2左右，即當量比a=l時，生物質(zhì)燃燒機壁溫及出口溫度較高；而隨著混合氣CH4的減少，生物質(zhì)燃燒機壁溫及出口溫度隨之降低．所以，為了獲得熱光電轉(zhuǎn)換所必需的燃燒溫度，CH4/02混合比應保證在1:2左右． (a)壁面溫度 (b)出口溫度 2.3入口流量Q的影響 孔隙率8為0. 42，CH4/02混合氣當量比a為1時，人口流量p對生物質(zhì)燃燒機壁溫和出口溫度的影響見圖5．由圖5可見，在孔隙率和CH4/02混合比不變時，隨(a)壁面溫度 (b)出口溫度 著人口流量Q的增加，壁面溫度和出口溫度都會相應升高．要使生物質(zhì)燃燒機壁溫達到一定的溫度，必須要保證足夠的人口流量Q．但入口流量也不宜過大，從圖中Q=150 cm3/min工況可看出，壁溫升高不明顯，而出口溫度顯著升高，熱損失增大，這是由于流量增加使流速增大，燃氣駐留時間減少，壁溫升高又使燃燒效率下降，因而會降低綜合效率． 3結(jié)論 (1)微型生物質(zhì)燃燒機采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)可以改善燃燒器內(nèi)的燃燒過程，多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機的壁面溫度明顯高于空管生物質(zhì)燃燒機，并且分布均勻，出口溫度降低，這對改善MTPV系統(tǒng)中燃燒輻射器的性能，提高能量轉(zhuǎn)換效率，都有十分重要的指導意義． (2)孔隙率占是影響多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機內(nèi)燃燒的一個重要影響因素，孔隙率占過大或過小都會對燃燒產(chǎn)生不利的影響，在本研究條件下，孔隙率占為0. 42時． (3)為了獲得熱光電轉(zhuǎn)換所必需的燃燒溫度，CH4/02混合比應保證在1:2左右（當量比a=l）的同時，還要保證適當?shù)娜丝诹髁縌． |
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