往复式多孔介质燃烧器流动特性的试验研究

　　 往复式多孔介质燃烧器流动特性的试验研究李昊，程乐鸣，王恩宇，褚金华，骆仲泱，岑可法 (浙江大学 热能工程研究所教育部清洁能源环境工程重点实验室，浙江 杭州 310027)
摘　要：研究了往复式多孔介质燃烧器在冷态条件下气流在其中的流动特性规律。在多孔介质的类型和运行温度不变的情况下，往复式多孔介质燃烧器的压降与空截面流速的平方成正比，与多孔介质的厚度成正比；燃烧器的稳定时间基本不受多孔介质厚度和空截面流速的影响。建立了计算压降的简单数学模型，理论模型的计算结果与实验数据符合较好。
关键词：往复式燃烧器；多孔介质；稳定时间；压降?
Hydrodynamics in porous media with a reciprocating flow systemLI Hao, CHEMG Leming, WANG Enyu, et al（Clean Energy and Environment Engineering Key Lab of MOE,Institute for Thermal Power Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027,China）

Abstract:Hydrodynamics of gas in porous media with a reciprocating flow systemwas studied at room temperature. The pressure drop of the burner is in direct ratio with the square of the superficial velocity and the porous media thickness .The steady time is independent of the superficial velocity and porous media thickness, while the the burner operates at a certain temperature.The computed result using a simple pressure drop model agreed reasonably well with the experimental data.
Keywords:reciprocating flow systemporous mediasteady timepressure drop
0引言
气体燃料的燃烧主要是以自由火焰为特征的空间燃烧（或者直流燃烧技术）。以该种燃烧方式燃烧时，火焰面附近的温度梯度陡而且分布不均，局部高温区的存在使得大量NOx生成，造成大气污染；燃烧反应的完成需要较大的空间，要求燃烧设备体积庞大，其应用受到空间限制；配套使用的换热设备主要以烟气辐射和对流冲刷进行热交换，热效率低；燃烧稳定性比较差，燃烧负荷调节能力小[1,2,3]。?
往复式多孔介质燃烧技术(Reciprocating Superadiabatic Combustion in Porous Media，以下简称RSCP)最早是Hanamura K和Echigo R在1993年提出的[4] ，后来有人称作多孔介质中往复流动下的超绝热(超焓火焰)燃烧技术[5]。这种燃烧技术已经在瑞典成功应用于汽车喷漆车间排气中有机污染物的燃烧净化[6]。该技术在提高燃烧效率、扩展可燃极限、节约燃料、改善环境以及处理各类垃圾和废弃物等方面具有其他燃烧技术不可比拟的优越性[4,7,8]。
国内在冶金工业炉中应用的高温低氧燃烧（High Temperature Air Combustion简称 HTAC）也是把RSCP的原理应用到冶金工业炉中[9]。不过两者有很大的区别，HATC把多孔介质仅仅作为换热器来用，燃烧在自由大空间中完成的，而RSCP燃烧则发生在多孔介质里面。在已发表的文献资料中，国内RSCP技术的研究和应用RSCP的燃烧器开发尚不多见。
往复式多孔介质燃烧器是基于RSCP的新型的燃烧器。本文研究冷气流在燃烧系统中交替流动时，在不同的实验条件下系统压降的变化以及系统的流动稳定状况，为该燃烧系统的设计和运行提供理论依据。?2往复式多孔介质燃烧器试验装置与试验方法
往复式多孔介质燃烧器结构对称（图1），系统主要包括换热器、多孔介质蓄热式燃烧室、缓冲箱、电磁阀、预混室、质量流量计、空气供给系统、燃气供给系统、控制系统、压力传感器和数据采集系统。试验气体通过质量流量计进入预混室，首先通过电控阀1进入左侧多孔介质蓄热式燃烧室（电控阀2、3关闭），然后经过换热器，再进入右侧多孔介质蓄热式燃烧室，经电控阀4排出。该流程完成后，通过可编程控制系统关闭电控阀1、4，同时将电控阀2、3打开，这时实验气体通过电控阀2进入右侧多孔介质蓄热式燃烧室，然后经过换热器，再进入左侧多孔介质蓄热式燃烧室，经电控阀3排出。试验中，上述过程重复进行。??


往复式多孔介质燃烧器流动特性的试验研究 : 　
多孔介质燃烧系统中气体进出是由两组电控阀（1、4和2、3）来控制。如果在一组同时通电的电控阀1、4(2、3)中，沿气流方向在后面的电控阀4(3)相对前面的电控阀1(2)打开时间延迟，造成气体的瞬时堵塞，测点压力瞬间升高很快。反之，则测点压力突变就较小。这就要求每组电磁阀必须同步开关，以保证系统气流流动的稳定性。?
试验是在常温下进行的，通过质量流量计调节试验气体的流量来改变燃烧器的空截面流速，增减燃烧室内泡沫陶瓷片的片数来改变多孔介质的厚度。试验所用的多孔介质是泡沫陶瓷片（主要成分为Al2O3），其空隙率为82%～86%。
测点压力是由压力传感器测得的。定义压力传感器采集压力数据频率的倒数为采样时间，两组电磁阀相互切换的间隔时间为周期切换时间。空截面流速u是试验气体通过燃烧器内多孔介质空截面的气流速度。多孔介质厚度h是燃烧器左右两侧中单侧的多孔介质高度。试验中，两侧的多孔介质厚度相等，设定采样时间0.118 s，周期切换时间为5 s。? 3试验结果与分析
3.1等空截面流速等厚度的阻力特性
为了研究燃烧器系统的阻力特性，保持通过多孔介质燃烧器内的空截面流速u恒定，在多孔介质厚度h不变的条件下，对各个测点进行测压，得到一系列的阻力特性曲线。典型的试验结果曲线如图2所示。?
论文往复式多孔介质燃烧器流动特性的试验研究

由图2可以看出，随着往复式多孔介质燃烧器中的气流周期性的换向流动，测点压力也随着周期性的变化。在每一个周期内，压力的突变发生在换向的时候，一开始压力突然升高，然后迅速下降，直至压力稳定。在压力稳定一段时间后，电控阀开始换向，此时测点压力先迅速下降，然后迅速上升，之后达到稳定。在多次循环换向的过程中，每一个周期的压力变化曲线是很相近的。
从开始换向到第一次达到流动稳定的间隔时间定义为稳定时间。图2中的稳定时间为1.5s。稳定时间是系统运行时候重要参数之一，它是系统达到稳定流动所需的最小时间。它为系统周期换向时间的选择提供重要的理论数据。
3.2空截面流速对稳定时间的影响

图3给出了多孔介质厚度h分别保持在90、130和170 mm，不同空截面流速u下的系统稳定时间t的变化情况。可以看出多孔介质厚度在170、130、90 mm时，随着空截面流速u的增加，稳定时间t基本不变。可以得知，在燃烧器的几何参数不变以及多孔介质厚度不变的情况下，空截面流速u对燃烧器系统稳定时间t影响较小。?
从图3中还可以发现，在空截面流速u增大的情况下，稳定时间t稍变大。随着空截面流速u增大，气流在多孔介质内流动的雷诺数增加，从而增加了气流的紊流趋势，使得系统内流动趋向稳定的时间增加，从而使得系统的稳定时间略微增加。在上述试验条件下，稳定时间t基本保持不变(t=1.2 s)。
3.3多孔介质厚度对稳定时间的影响
影响稳定时间的另一个参数是多孔介质的厚度，因为多孔介质的泡沫结构影响气流的流动稳定。在空截面流速一定条件下，多孔介质厚度与稳定时间的关系如图4所示。在三种不同的多孔介质厚度下，稳定时间很接近。由图4可知，在空截面流速u不变的条件下，随着多孔介质厚度h的增加，系统的稳定时间t基本保持不变。这说明多孔介质的厚度h对系统的稳定时间t的影响很小。在空截面流速分别为u=0.316、0.632、0.947 m/s时, 稳定时间t保持在1.2 s。
3.4空截面流速、多孔介质厚度对燃烧器进出口压降的影响
燃烧器的进出口压降ΔP是燃烧器设计和运行的重要理论数据之一。本文研究了空截面流速u和多孔介质厚度h两个参数对燃烧器进出口压降的影响，得到了在多孔介质的厚度h不变的条件下，空截面流速与燃烧器进出口压降的规律曲线（图5），同时得到了多孔介质厚度对燃烧器进出口压降的影响(图6)。?

由图5可知，不同的多孔介质厚度h下，进出口压降ΔP随着空截面流速u的变化趋势基本一致。随着多孔介质截面流速u的增加，往复式多孔介质燃烧器的进出口压降ΔP随着其值增大，基本上是二次曲线的形状。也就是说往复式多孔介质燃烧器的压降ΔP与通过多孔介质气流空截面速度u的平方基本成正比关系。


往复式多孔介质燃烧器流动特性的试验研究 : 　
由图6可知，在刚玉管内多孔介质的空截面流速u不变的情况下，随着多孔介质厚度h的增加，往复式多孔介质燃烧器进出口压降ΔP也随之增大，基本是一次直线的形状。在不同的空截面流速下，其变化的趋势也相同。也就是说往复式多孔介质燃烧器的进出口压降ΔP与多孔介质厚度h成正比关系。在等多孔介质厚度的条件下，压降随着空截面流速u的增大而增大。?4多孔介质简单阻力数学模型
通过多孔介质的流体流动所形成的压降是由同时运动能量损失和粘滞能量损失所引起的。早在1900年Reynolds等人提出了适用于所有的流体的压降公式[10]：
　
之后学者们对上面的计算公式进行了改进，提出了适用于通过具体的不同物体的压降计算公式，其中也包括通过不同类型介质的压降计算公式。在多孔介质的研究方面，Ergun等人根据Reynolds公式，提出了适用于多孔介质的压降公式[11]：
　

式（3）中dp是多孔介质的孔径，单位m；np是多孔介质的孔数目的体积密度，单位是1/m3 。?
将试验数据根据公式（2）进行回归，可得到系数C1和C2，C1、C2仅与多孔介质的结构参数有关。从而得到压降计算公式，用它计算所得的理论模型结果与试验结果比较见图7和图8。在多孔介质厚度h一定、截面流速变化的条件下（图7）理论模型得到的计算值和试验值基本吻合。在空截面流速一定、多孔介质厚度变化的条件下（图8），用理论模型得到的计算值和试验得到的试验值吻合也较好。
?5结论
（1）在往复式多孔介质燃烧器的空截面速度u一定和多孔介质厚度h不变的情况下，随着往复式多孔介质燃烧器的周期性运行，燃烧器各测点压力随着发生周期性的变化，并且各个周期压力变化规律基本相同；?
（2）在其他条件不变的情况下，往复式多孔介质燃烧器的压降ΔP与往复式多孔介质燃烧器空截面流速u的平方基本成正比关系；
（3）在其他条件不变的情况下，往复式多孔介质燃烧器的压降ΔP与往复式多孔介质燃烧器内的多孔介质厚度h呈线性增大关系；
（4）在其他条件不变的情况下，往复式多孔介质燃烧器的稳定时间t基本不受多孔介质厚度h以及空截面流速u影响；
（5）往复式多孔介质燃烧器的压降符合Ergun公式。

参考文献
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往复式多孔介质燃烧器流动特性的试验研究 : 　
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