彎尾管Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器熱工特性的研究.pdf

1、脈動燃燒具有燃燒效率高、傳熱系數(shù)大、污染物排放量低及可自吸排氣等優(yōu)點(diǎn),但脈動燃燒機(jī)理復(fù)雜,燃燒器組件之間耦合性強(qiáng),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定脈動燃燒對運(yùn)行條件及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求較高,故脈動燃燒器的設(shè)計(jì)大多是依靠反復(fù)實(shí)驗(yàn)得以實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的機(jī)械閥式Helmholtz型脈動燃燒器運(yùn)行可靠性差、受閥片自身性能影響使用壽命短、熱負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍窄,使得脈動燃燒設(shè)備大型化受到限制;同時脈動燃燒技術(shù)的實(shí)驗(yàn)和理論研究主要限于直尾管脈動燃燒器。為完善脈動燃燒器的設(shè)計(jì)和有效利用空間,

2、需采用彎尾管結(jié)構(gòu)。本文建立了彎尾管Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行了頻率特性、運(yùn)行特性及傳熱和燃燒等熱工特性的理論和實(shí)驗(yàn)研究,得如下研究結(jié)果:
　　建立了彎尾管Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),取消了傳統(tǒng)的機(jī)械閥,采用連續(xù)供氣方式,設(shè)計(jì)了不同的彎尾管結(jié)構(gòu)形式,利用燃燒器聲學(xué)結(jié)構(gòu)與燃料燃燒放熱耦合實(shí)現(xiàn)脈動燃燒,可以自主調(diào)節(jié)熱負(fù)荷。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的彎尾管Helmholtz型無閥自激連續(xù)供氣式脈動燃

3、燒器可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的脈動燃燒,脈動振幅較大、頻率較低。
　　實(shí)驗(yàn)研究了彎尾管Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器的壓力特性。穩(wěn)定運(yùn)行時,燃燒室內(nèi)的壓力振蕩波形接近正弦曲線,壓力均值和壓力振幅沿尾管下降;燃燒室內(nèi)的壓力振幅隨尾管彎曲角度的增加而減小,彎曲位置在尾管出口處時的壓力振幅較彎曲位置在尾管入口處的大;在不改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下,壓力振幅隨熱負(fù)荷和過量空氣系數(shù)的增大而增大。實(shí)驗(yàn)研究得到了脈動燃燒器的NOx排放特性,當(dāng)燃燒器結(jié)

4、構(gòu)不變時,尾管出口煙氣中NOx排放量在開始階段隨熱負(fù)荷的增加而增大,當(dāng)熱負(fù)荷增加到某一值時NOx的排放量最大,而后NOx排放量隨熱負(fù)荷的增加而減少;NOx排放量隨過量空氣系數(shù)的增加而減少。本文實(shí)驗(yàn)條件下脈動燃燒器NOx的生成類型主要是熱力型NOx,燃燒溫度及煙氣在高溫區(qū)的停留時間對Helmhotlz型脈動燃燒器NOx排放量有較大的影響,一般存在一個較合理的熱負(fù)荷區(qū)間,在此區(qū)間內(nèi)雖然熱負(fù)荷較高,燃燒溫度較高,但由于煙氣在高溫區(qū)停留時間變短

5、,NOx的排放量反而較低,這一特點(diǎn)對Helmhotlz型脈動燃燒器運(yùn)行時如何降低NOx的排放量有很大的指導(dǎo)意義。
　　運(yùn)用流體網(wǎng)絡(luò)理論,采用擬電路方法建立了彎尾管Helmhotlz型無閥自激脈動燃燒器集總參數(shù)理論模型,該模型考慮了燃燒器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、尾管傳熱、尾管阻力及運(yùn)行參數(shù)對燃燒器運(yùn)行特性的影響,推導(dǎo)出脈動頻率的理論計(jì)算式。穩(wěn)定運(yùn)行時,脈動燃燒器脈動頻率隨尾管彎曲角度的增大而降低,彎曲位置在尾管出口處時的脈動頻率較彎曲位置在尾管

6、入口處低;在不改變?nèi)紵鹘Y(jié)構(gòu)參數(shù)的條件下,脈動頻率隨過量空氣系數(shù)的增加而降低,隨熱負(fù)荷的增加而增大;理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。不同尾管結(jié)構(gòu)的脈動燃燒器在改變熱負(fù)荷和過量空氣系數(shù)時均出現(xiàn)了頻率跳變現(xiàn)象,燃燒器在較高的熱負(fù)荷和適當(dāng)增加過量空氣系數(shù)下運(yùn)行能有效阻止脈動頻率的跳變。尾管結(jié)構(gòu)參數(shù)對彎尾管脈動燃燒器頻率跳變有很大的影響,隨彎管彎曲角度的增加,頻率跳變現(xiàn)象明顯且過渡期變長,彎曲位置在尾管入口處時較彎曲位置在尾管出口處時頻率跳變現(xiàn)

7、象明顯且過渡期變長。
　　實(shí)驗(yàn)研究了彎尾管Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器尾管的傳熱特性,結(jié)果表明尾管傳熱系數(shù)隨脈動壓力振幅和頻率的增加而增大,是相同雷諾數(shù)下穩(wěn)定流傳熱系數(shù)的2～5倍;彎尾管傳熱系數(shù)較直尾管大。采用Fluent軟件對90?彎尾管脈動燃燒器尾管內(nèi)脈動流動和傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值模擬,得到尾管內(nèi)煙氣流動特性,分析了脈動燃燒器彎尾管換熱增強(qiáng)的原因。
　　采用Fluent軟件對Helmhotlz型無閥自激脈動燃燒器