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1 引 言
在民用燃具的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中,明確要求燃?xì)馊紵髟?0.5~1.5)倍燃?xì)忸~定壓力下工作時(shí)不得出現(xiàn)回火與脫火。由于現(xiàn)在的民用燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)幾乎都采用大氣式燃燒方式,這種燃燒方式雖然比擴(kuò)散燃燒能獲得更高的燃燒溫度、燃燒更為強(qiáng)烈,但它的不足之處是存在回火的可能性,且脫火趨勢(shì)也增大了。本文從經(jīng)典的邊界速度梯度理論出發(fā),引伸出一個(gè)描述回火條件的無因次準(zhǔn)則,利用這個(gè)準(zhǔn)則,可以幫助我們把一種燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)上得到的防止回火的實(shí)物試驗(yàn)結(jié)果,推廣到結(jié)構(gòu)相同燃用其它燃?xì)獾纳镔|(zhì)燃燒機(jī)上,以達(dá)到加快科研進(jìn)度、節(jié)省人力與物力的目的。本文也討論了生物質(zhì)燃燒機(jī)火孔布置形式、一次空氣系數(shù)對(duì)脫火的影響,由于脫火強(qiáng)烈依賴于火孔的布置形式,因此對(duì)脫火要導(dǎo)出一個(gè)無因次判斷準(zhǔn)則很困難。2 回火及回火臨界準(zhǔn)則數(shù)的確定
經(jīng)典的回火理論是由劉易斯與馮,埃爾伯提出的邊界速度梯度理論‘1],該理論指出(見圖1)在大尺寸的深火孔內(nèi)可燃混合氣的流動(dòng)呈現(xiàn)為完全發(fā)展的層流運(yùn)動(dòng),其流動(dòng)速度U的分布曲線力:
當(dāng)火孔流速很高日寸,氣流在邊界區(qū)域的速度很大,在火孔內(nèi)的斷面上氣流速度大于火焰?zhèn)鞑ニ俣龋║l曲線在S。曲線的上方),于是火焰被吹出火孔。不斷降低火孔流速時(shí)氣流在邊界區(qū)域的速度梯度也隨之減小,便會(huì)出現(xiàn)火焰?zhèn)鞑ニ俣仍诰植康貐^(qū)大于氣流速度,火焰將會(huì)沿S。>U的區(qū)域回傳進(jìn)入生物質(zhì)燃燒機(jī),發(fā)生回火。顯然,回火的臨界條件是氣流的邊界速度梯度值恰好滿足流速線與火焰?zhèn)鞑ニ俣染€相切(如U2所示)。能否尋找到一個(gè)能表征火焰回火條件的無因次準(zhǔn)則數(shù)呢?我們來觀察圖1。回火的臨界條件應(yīng)是流速線U2與火焰?zhèn)鞑ニ俣染€Sn相切,即氣流的邊界速度梯度g與火焰分布速度的變化率(Sn/d)相等:
回火臨界條件對(duì)應(yīng)于無因次數(shù)-ua為某一常數(shù)Co,Co是結(jié)構(gòu)常數(shù)(與火孔結(jié)構(gòu)有關(guān)),與使用的燃?xì)鉄o關(guān)。所以,用它來表征回火條件是恰當(dāng)?shù)摹?br /> (1)準(zhǔn)則數(shù)U8/ SnD代表了氣流邊界速度梯度與火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓手g的某種比值關(guān)系。它體現(xiàn)了流動(dòng)工況U、燃燒特性S。與6、火孔尺寸D、生物質(zhì)燃燒機(jī)運(yùn)行工況ai(一次空氣系數(shù)ai直接影響到Sn)對(duì)回火的綜合影響,較為更反映了回火的物理本質(zhì)。
(2)基于氣流邊界速度梯度理論推導(dǎo)出來的回火臨界條件U8/ SnD一Co,臨界值Co與燃用的燃?xì)鉄o關(guān)。這個(gè)結(jié)論十分重要。它使我們有可能把某種燃?xì)馍镔|(zhì)燃燒機(jī)上測(cè)得的回火臨界準(zhǔn)則數(shù)直接應(yīng)用到燃用其它燃?xì)饨Y(jié)構(gòu)相同的生物質(zhì)燃燒機(jī)上。
(3)當(dāng)火孔平均流速U下降(熱負(fù)荷降低);燃?xì)饣鹧鎮(zhèn)鞑ニ俣萐n增大,熄火距離6減小(燃用S。大的燃?xì)?,螬大a1…,.);火孔直徑D增大均會(huì)使準(zhǔn)則數(shù)U渺SnD減小,并最終導(dǎo)致回火的發(fā)生。
真實(shí)的民用生物質(zhì)燃燒機(jī)是小尺寸、淺火孔的多火孔生物質(zhì)燃燒機(jī),它與經(jīng)典回火理論所討論的情況會(huì)出現(xiàn)些差異。
(1)火孔壁溫
多火孔密集分布的民用生物質(zhì)燃燒機(jī)上,火焰對(duì)火孔的加熱會(huì)比單火孔生物質(zhì)燃燒機(jī)強(qiáng)烈得多,從而導(dǎo)致火孔壁溫升高?;鹂妆跍厣咧苯訉?dǎo)致熄火距離6下降(見表3),并使可燃混合氣初溫上升。使火焰?zhèn)鞑ニ俣萐。增大(見表4)。為了反映火孔壁溫升高對(duì)回火的影響,我們引進(jìn)壁溫修正系數(shù)k2與k3:
(2)氣流速度分布曲線
民用生物質(zhì)燃燒機(jī)上大多使用小尺寸的淺火孔(火孔相對(duì)深度約1~3),此時(shí)氣流在火孔出口端面的速度分布曲線呈現(xiàn)為部分發(fā)展的層流運(yùn)動(dòng)。這種速度分布的特點(diǎn)是氣流邊界速度梯度變大而中部平坦(見圖2),生物質(zhì)燃燒機(jī)回火危險(xiǎn)性變大。此時(shí)氣流邊界速度梯度的大小己不是判斷回火的依據(jù),還應(yīng)再校核氣流中部流速(近似回火孔平均流速U來表示)的大小。當(dāng)U> Sn,不會(huì)回火;U< Sn,回火發(fā)生(回火的補(bǔ)充條件)。
(3)各火孔流量分配
在多火孔生物質(zhì)燃燒機(jī)上由于結(jié)構(gòu)上的原因,常造成各火孔間流量分配不均,流量小的火孔在低負(fù)荷下便首先出現(xiàn)回火,多火孔生物質(zhì)燃燒機(jī)回火危險(xiǎn)性自然比單火孔要大。設(shè)最小流量火孔的流速Un與火孔平均流速U之比為k4: UYr,一k4U。為了反映各火孔流量分配不均的影響,回火判別準(zhǔn)則需再作修正:
k4完全取決于生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)形式。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)火孔流量分配不均在高負(fù)荷下較大,而在發(fā)生回火的低負(fù)荷下要輕微得多。
需要指出系數(shù)ki、k2、k3、幻等均是屬于生物質(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)系數(shù),因此對(duì)某種給定結(jié)構(gòu)的生物質(zhì)燃燒機(jī)來講,無論燃用何種燃?xì)馄浠鼗鹋R界準(zhǔn)則數(shù)C應(yīng)是一常數(shù),其值必須通過試驗(yàn)來確定。
假定已掌握引射式灶具天然氣生物質(zhì)燃燒機(jī),其運(yùn)行參數(shù)(設(shè)計(jì)負(fù)荷下)是a1 - 0.6,火孔出口平均流速U -1. 2m/s,火孔當(dāng)量直徑D-3 mm。由試驗(yàn)測(cè)得燃用天然氣時(shí)其回火臨界負(fù)荷為15%額定負(fù)荷。由此我們可以推算出燃用焦?fàn)t氣時(shí)該結(jié)構(gòu)燃燒器的工作參數(shù),并能滿足回火臨界負(fù)荷為20%額定負(fù)荷(自定)的要求。
設(shè)計(jì)計(jì)算的步是確定燃用天然氣時(shí)該燃燒器的回火臨界準(zhǔn)則數(shù)。在回火臨界負(fù)荷下U - 1.2×15%一0.18 m/s;由于引射式生物質(zhì)燃燒機(jī)具有自調(diào)節(jié)特性,所以可近似認(rèn)為生物質(zhì)燃燒機(jī)工作的a,在負(fù)荷變化時(shí)維持恒定.在ai一0.6時(shí)對(duì)應(yīng)于Sn一0.08 m/s(見表2);天然氣艿一2.5 mm(見表1),則回火臨界準(zhǔn)則數(shù)c值為考基一0.18X 235一1.875且滿足U≥Sn??紤]到焦?fàn)t氣容易回火,生物質(zhì)燃燒機(jī)的運(yùn)行參數(shù)暫取作火孔當(dāng)量直徑D - 2.0,一次空氣ai—0.5,焦?fàn)t氣6—1.3 mm,按式(7)計(jì)算其回火臨界準(zhǔn)則數(shù):
這是在回火臨界負(fù)荷下的值,在設(shè)計(jì)負(fù)荷下火孔平均流速UP一0.49×100/20 - 2.45 m/s。由此,得到生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù):ai一0.5,UJD一2.45m/s,D一2.0,回火臨界負(fù)荷為20%額定負(fù)荷。當(dāng)選用不同的ai與D值時(shí)便可計(jì)算出其他的設(shè)計(jì)工作點(diǎn)
為噴嘴前工作壓力,燃用焦?fàn)t氣時(shí)考慮到燃?xì)馔ǖ赖淖枇p失,H取作700 Pa;弘為噴嘴流量系數(shù),取弘一0.8; Fop為無因次切面積比值,F(xiàn)op—K (l+ai VO)(1-1- ai礦0/S)我們?nèi)〕S玫腎I型引射器K - 2.1,焦?fàn)t氣相對(duì)比重S- 0.36,理論空氣量VO一4.21,生物質(zhì)燃燒機(jī)一次空氣ai也暫取0.5,代入得Fop一44. 65;將這些值代入式(8)得:
選擇不同的ai時(shí),引射式生物質(zhì)燃燒機(jī)能獲得的火孔出口流速Um見表7。比較表6與表7可知,只有火孔流速Um大于(或等于)計(jì)算所需火孔流速UP時(shí),所選擇的生物質(zhì)燃燒機(jī)工作點(diǎn)才是可行的。按上述計(jì)算,我們最終確定了燃用焦?fàn)t氣時(shí)的工作點(diǎn)(見表8),運(yùn)行表明生物質(zhì)燃燒機(jī)可在25%額定負(fù)荷下運(yùn)行而不發(fā)生回火。
采用回火臨界準(zhǔn)則數(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)還需再說明以下幾點(diǎn):
(1)燃用天然氣、液化石油氣(火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊偷娜細(xì)猓┑拿裼蒙镔|(zhì)燃燒機(jī)上容易實(shí)現(xiàn)低負(fù)荷下防止回犬的要求(以實(shí)現(xiàn)大的負(fù)荷調(diào)節(jié)比)。
(2)不同結(jié)構(gòu)生物質(zhì)燃燒機(jī)的回火臨界準(zhǔn)則數(shù)C各不相同,影響因素眾多,難于理論計(jì)算,只有依賴試驗(yàn)定出。
(3)生物質(zhì)燃燒機(jī)的一次空氣系數(shù)很重要,在燃用碳?xì)浠衔锖扛叩娜細(xì)馊沾?,首先要避免出現(xiàn)黃焰,另外還應(yīng)選在火焰?zhèn)鞑ニ俣茸兓徛膮^(qū)間。以焦?fàn)t氣為例,當(dāng)一次空氣系數(shù)ai≥0.4可避免黃焰,僅·在0.4~0.6間火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n相對(duì)變化比較平坦(見表2),所以ai宜選在0.5附近,以避免生物質(zhì)燃燒機(jī)實(shí)際運(yùn)行的ai偏離設(shè)計(jì)值時(shí)對(duì)回火帶來大的影響。
(4)燃用火焰?zhèn)鞑ニ俣雀叩娜細(xì)?,防止回火是個(gè)重要問題,必須謹(jǐn)慎對(duì)待。采用減小火孔尺寸以阻止火焰回火通常難于辦到。
3 脫 火
當(dāng)火焰根部距火孔端面的距離大于以值時(shí)則稱作火焰脫火。因此脫火的臨界條件便是在I I斷面上氣流速度分布曲線與火焰?zhèn)鞑ニ俣确植记€相切。
在真實(shí)民用生物質(zhì)燃燒機(jī)上大多采用a.<1的運(yùn)行工況,此時(shí)射流邊界層的火焰?zhèn)鞑ニ俣萐n分布曲線會(huì)有明顯的變化。在邊界層幻范圍內(nèi)o點(diǎn)是射流的外邊界點(diǎn),在o點(diǎn)的燃?xì)鉂舛葢?yīng)為零,b點(diǎn)是射流核心區(qū)的外邊界點(diǎn),6點(diǎn)的燃?xì)鉂舛葢?yīng)是可燃混氣中的燃?xì)鉂舛菿o,且Ko= 11 (1+a1%)。可以認(rèn)為在幻范圍內(nèi)燃?xì)鉂舛菿呈直線分布,即:
可見生物質(zhì)燃燒機(jī)的一次空氣系數(shù)a1越小,此變化率越大,即脫火的臨界邊界速度梯度值越大,越不易脫火。運(yùn)行也表明減小僅,是消除脫火的有力措施。
除去a,對(duì)脫火有明顯影響外,脫火也強(qiáng)烈依賴于火孔的分布形式。在葉輪式火蓋爐具生物質(zhì)燃燒機(jī)上良好的火焰穩(wěn)定性能是由于各火焰之間相互強(qiáng)制循環(huán)點(diǎn)燃的結(jié)果。
5 結(jié) 語(yǔ)
(1)燃用火焰?zhèn)鞑ニ俣雀叩娜細(xì)鈺r(shí)防止回火顯得特別重要,本文提出的回火判斷準(zhǔn)則,對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)者將會(huì)有一定的幫助。
(2)實(shí)際使用的小尺寸淺火孔的多火孔生物質(zhì)燃燒機(jī)回火危險(xiǎn)性比大尺寸深火孔的單火孔生物質(zhì)燃燒機(jī)明顯增大。
(3)脫火強(qiáng)烈依賴于火孔的布置形式(各火焰間的相互影響),在葉輪火蓋生物質(zhì)燃燒機(jī)上較好的解決了脫火問題這種火孔布置方式值得借鑒。
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