產(chǎn)品詳情
脈動生物質(zhì)燃燒機的頻率特性研究
由于可控的脈動燃燒能大大提高燃燒效率和燃氣的傳熱效率，在噴氣推進、動力發(fā)電、工業(yè)爐窯、民用取暖，化工中的干燥和煅燒、各種鍋爐等有明顯的潛在優(yōu)勢。基于Higgins-Rijke熱聲效應的無閥自激脈動燃燒器，因其結(jié)構(gòu)簡單，無運動部件，壽命可達水平，潛在應用前景。
脈動生物質(zhì)燃燒機的頻率特性對其設計和使用都有很重要的意義。非自激脈動燃燒器的工作頻率取決于外界脈動源（如脈動供氣）的頻率，而Hehnholtz型有閥自激脈動燃燒器（如市場有售的富爾頓脈動燃氣鍋爐）的頻率可用Helmholtz共振腔公式計算。對于直管的Higgins-Rijke型脈動燃燒器，其頻率可根據(jù)燃燒器總長，按1／2波長管公式大致估算。由于管中術(shù) 自然科學資助項目(69802010)有冷段和熱段，管中氣流的平均聲速只能憑經(jīng)驗給定，其誤差隨意性很大。
由于直管的Higgins-Rij ke型無閥自激脈動燃燒器須在長徑比大于10時，才能較好工作，極大地限制其推廣使用。設想1 m直徑的燃燒器至少10 m長。且不說需特高的鍋爐房才能安裝，就其工作頻率來說，約24 Hz，已接近次聲，噪聲對人體存在較大問題。為此，我們對直管的Higgins-Rijke型自激脈動生物質(zhì)燃燒機進行了改進。將進氣段和出氣段的通氣截面積，做成小于燃燒室通氣截面枳，形成“兩端收口”的無閥自激脈動燃燒器。這樣，使燃燒器總長與燃燒室直徑之比減小到4.2時，仍能自激脈動工作[1]。為了有別于直管的Higgins-Rijke型脈動燃燒器，也為了敘述方便起見，我們把這種“兩端收口”的無閥自激脈動燃燒器稱為Rijke-ZT型脈動燃燒器。直管522的Higgins-Rijke型脈動燃燒器只是Rijke-ZT型脈動燃燒器的一個特例。我們曾對Rijke-ZT型脈動燃燒器的頻率特性進行過研究[2]，但未曾涉及燃氣的溫度分布。本文就Rijke-ZT型脈動燃燒器考慮熱燃氣溫度分布的頻率特性進行實驗研究，并推導出計算這種脈動燃燒器頻率的公式。
1 Rijke-ZT型脈動燃燒器的頻率特性
的實驗研究
為了研究Rijke-ZT型無閥自激脈動生物質(zhì)燃燒機的頻率特性，加工了4種不同收縮比的試驗器（見圖1）。它們的尺寸參數(shù)見表1。為今后闡述方便起見，我們稱移C管段為進氣段、≯B為燃燒室、≯A為出氣段。
表1進、出氣段不同收縮比的脈動試驗器一覽表
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┃ 試驗器編號 ┃No．1 ┃ No.2 ┃ No．3 ┃ No．4 ┃ No．5 ┃ No.6 ┃
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┃ 4A mm ┃4160 ┃4106 ┃西70 ┃擊52 ┃擊70 ┃西52 ┃
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┃ 4B mm ┃4160 ┃4160 ┃+160 ┃+160 ┃4160 ┃4160 ┃
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┃ +C mm ┃4160 ┃4106 ┃擊70 ┃擊52 ┃4106 ┃4106 ┃
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┃ 出氣段收縮 ┃ 1 ┃ 0.44 ┃ 0.19 ┃ 0.11 ┃ 0.19 ┃ 0.11 ┃
┃ 比4A／曲B ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
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┃ 進氣段收縮 ┃ 1 ┃ 0,44 ┃ 0.19 ┃ 0 11 ┃ 0.44 ┃ 0.44 ┃
┃ 比西C／西B ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
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根據(jù)我佃的經(jīng)驗和對Higgins-Rijke型熱聲現(xiàn)象的認識[3】’這種燃燒器的頻率特性不受熱源種類的影響。因此，我們用電加熱的方法作熱源，而不是用固、液或氣體燃料燃燒做熱源，這樣熱源參數(shù)易于控制和調(diào)整。沿試驗器軸向安裝了10支熱電偶，測量溫度分布。熱電偶的間距是不相等的，溫度變化較大區(qū)域熱電偶間距相對小些（熱電偶沿軸向的安裝位置見圖2）。由直徑為0.6 mm的鎳鉻鎳鋁絲組成的露頭鎧裝熱電偶，動態(tài)響應很好。用YE2539高速靜態(tài)電阻應變儀每隔10 s采樣一次。試驗器內(nèi)氣體脈動頻率由安放在進氣口處的CA-YD5,4加速度傳感器拾取。訊號經(jīng)電荷放大器放大后，輸入雙跡陰極射線示波器，由函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的訊號進行比較。由于Rijke-ZT型脈動燃燒器內(nèi)的聲波不是純正弦波，基波上疊加了一些諧波，因此不能用通常的頻率計數(shù)器直接讀得主頻率值。
測得的相應溫度分布見表2。測得的主頻率值見表3。
進、出氣段通氣截面積相同時試驗器的主頻率與溫度分布的關系見表2中的No．1，No．2，No．3，N04，進、出口段通氣截面積不同時的頻率特性見表2中的No．5，No．6
圖2熱電偶分布示意圖
表2 各點熱電偶測得的溫度值
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┃ ┃ 溫度分布／oC ┃
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┃誡驗器編號 ┃HOO ┃H01 ┃H02 ┃H03 ┃H04 ┃H05 ┃H06 ┃H07 ┃H08 ┃H09 ┃
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┃ No．1 ┃ 56 ┃ 59 ┃ 77 ┃ 83 ┃112 ┃178 ┃ 271 ┃ 95 ┃ 34 ┃ 24 ┃
┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫
┃ No．2 ┃ 76 ┃ 80 ┃ 82 ┃ 84 ┃ 109 ┃ 167 ┃ 356 ┃ 83 ┃ 29 ┃ 21 ┃
┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫
┃ No．3 ┃ 89 ┃ 93 ┃ 96 ┃ 99 ┃ 107 ┃ 224 ┃ 237 ┃ 136 ┃ 34 ┃ 22 ┃
┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫
┃ No．4 ┃ 75 ┃ 87 ┃ 93 ┃ 95 ┃139 ┃ 233 ┃244 ┃135 ┃ 29 ┃ 21 ┃
┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫
┃ No.5 ┃ 82 ┃ 99 ┃ 107 ┃ 121 ┃ 125 ┃ 182 ┃ 404 ┃ 107 ┃ 36 ┃ 23 ┃
┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫
┃ No．6 ┃ 50 ┃ 76 ┃ 78 ┃ 82 ┃ 98 ┃ 131 ┃ 376 ┃ 80 ┃ 31 ┃ 23 ┃
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表3實驗用Rijke-ZT生物質(zhì)燃燒爐的實測頻率與計算頻率對比表
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┃ 試驗器編號 ┃No．1 ┃ No．2 ┃ No．3 ┃ No．4 ┃ No．5 ┃ No．6 ┃
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┃實測基頻/Hz ┃ 113.3 ┃ 86.9 ┃ 60 l ┃ 46.8 ┃ 75.3 ┃ 71 1 ┃
┣━━━━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫
┃計算頻率/Hz ┃ 111.2 ┃ 83.0 ┃ 59.6 ┃ 45.8 ┃ 74.3 ┃ 68.4 ┃
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┃ 誤差／% ┃ 1.9 ┃ 4.5 ┃ 0.8 ┃ 2.1 ┃ 1.3 ┃ 3.8 ┃
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2 Rijke-ZT型脈動生物質(zhì)燃燒爐的頻率公式
圖3是用來推導Rijke-ZT型無閥自激脈動生物質(zhì)燃燒爐工作頻率的示意圖。
將該生物質(zhì)燃燒爐劃分為4個區(qū)域I，II，III，IV。嚴格地講，工質(zhì)空氣從進氣口1進入生物質(zhì)燃燒爐后，溫度在不斷變化。在熱源處空氣接受大量熱量而使溫度達到最
Rijke-ZT型脈動生物質(zhì)燃燒爐的頻率特性研究
3討論
為了考核本文推導的頻率計算公式(12)和(13)的適用性，我們還用過去實驗中得到的數(shù)據(jù)與用式(12)和(13)計算的結(jié)果進行比較。一組是燃煤的Rijke-ZT型脈動生物質(zhì)燃燒爐，一個是燃油的多管Rijke-ZT翌脈動燃燒器，它們的尺寸見表4。計算的結(jié)果和測得的頻率值列于表5。
表5燃煤、燃油Rij ke- ZT燃燒器的實測頻率與計算頻率對比表
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┃ 燃燒器編號 ┃ 燃煤1 ┃ 燃煤2 ┃ 燃煤3 ┃ 燃油l ┃
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┃ 實測基頻/Hz ┃ 70 ┃ 60 ┃ 75 ┃ 30 ┃
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┃ 計算頻率/Hz ┃ 70.0 ┃ 62.3 ┃ 78.2 ┃ 30.5 ┃
┣━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━┫
┃ 誤差% ┃ O ┃ 3.8 ┃ 4.3 ┃ L7 ┃
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從表3和表5看出，在不同的結(jié)構(gòu)尺寸和不同的熱源條件下，式(12)和(13)均能較好地計算Rijke-ZT型無閥自激脈動燃燒器的諧振基頻，誤差均在5Vo以內(nèi)。
需要指出的是，由于進氣段、燃燒室和出氣段中氣流的溫度沿軸向是變化的，在取平均溫度時可能引入一些誤差，所幸的是，用式(12)或【13)計算頻率時，引入的少量誤差幾乎不影響頻率計算值。我們以試驗器編號No．2為例進行了計算，當死- 150。時，計算頻率為83.03 Hz，當疋改變?yōu)?400和1600（其他參數(shù)均不變），計算頻率分別為83.01 Hz和83.05 Hz，我們認為該試驗器的主頻為83 Hz是足夠準確的，其誤差在0.6Vo，工程上已足夠用。
值得注意的是，這絕不是說溫度分布對頻率計算沒有影響。相反，從式(12)和(13)看出，溫度分布形成的~／凳，√凳，√凳等等對諧振頻率產(chǎn)生直接髟響。我們又以試驗器編號No．2為例進行了計算。在幾何參數(shù)不變的條件下，將溫度分布取用燃油脈動燃燒器的。計算結(jié)果表明，諧振基頻從83 Hz上升到107 Hz。由于聲速與工質(zhì)溫度有關，因此溫度升高必導致諧振頻率的提高，這是可以理解的。
4結(jié)論
(1) Rijke-ZT型自激脈動生物質(zhì)燃燒爐的工作基頻不僅與其形狀和尺寸有關，而且與工質(zhì)在生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)的溫度分布有密切關系。
(2)當Rijke-ZT型燃燒器的工質(zhì)溫度分布分段用其算術(shù)平均值來處理時，用公式(12)計算所得主頻與實際測得的工作基頻的誤差在5Vo以內(nèi)，能滿足工程使用要求。
由于可控的脈動燃燒能大大提高燃燒效率和燃氣的傳熱效率，在噴氣推進、動力發(fā)電、工業(yè)爐窯、民用取暖，化工中的干燥和煅燒、各種鍋爐等有明顯的潛在優(yōu)勢。基于Higgins-Rijke熱聲效應的無閥自激脈動燃燒器，因其結(jié)構(gòu)簡單，無運動部件，壽命可達水平，潛在應用前景。
脈動生物質(zhì)燃燒機的頻率特性對其設計和使用都有很重要的意義。非自激脈動燃燒器的工作頻率取決于外界脈動源（如脈動供氣）的頻率，而Hehnholtz型有閥自激脈動燃燒器（如市場有售的富爾頓脈動燃氣鍋爐）的頻率可用Helmholtz共振腔公式計算。對于直管的Higgins-Rijke型脈動燃燒器，其頻率可根據(jù)燃燒器總長，按1／2波長管公式大致估算。由于管中術(shù) 自然科學資助項目(69802010)有冷段和熱段，管中氣流的平均聲速只能憑經(jīng)驗給定，其誤差隨意性很大。
由于直管的Higgins-Rij ke型無閥自激脈動燃燒器須在長徑比大于10時，才能較好工作，極大地限制其推廣使用。設想1 m直徑的燃燒器至少10 m長。且不說需特高的鍋爐房才能安裝，就其工作頻率來說，約24 Hz，已接近次聲，噪聲對人體存在較大問題。為此，我們對直管的Higgins-Rijke型自激脈動生物質(zhì)燃燒機進行了改進。將進氣段和出氣段的通氣截面積，做成小于燃燒室通氣截面枳，形成“兩端收口”的無閥自激脈動燃燒器。這樣，使燃燒器總長與燃燒室直徑之比減小到4.2時，仍能自激脈動工作[1]。為了有別于直管的Higgins-Rijke型脈動燃燒器，也為了敘述方便起見，我們把這種“兩端收口”的無閥自激脈動燃燒器稱為Rijke-ZT型脈動燃燒器。直管522的Higgins-Rijke型脈動燃燒器只是Rijke-ZT型脈動燃燒器的一個特例。我們曾對Rijke-ZT型脈動燃燒器的頻率特性進行過研究[2]，但未曾涉及燃氣的溫度分布。本文就Rijke-ZT型脈動燃燒器考慮熱燃氣溫度分布的頻率特性進行實驗研究，并推導出計算這種脈動燃燒器頻率的公式。
1 Rijke-ZT型脈動燃燒器的頻率特性
的實驗研究
為了研究Rijke-ZT型無閥自激脈動生物質(zhì)燃燒機的頻率特性，加工了4種不同收縮比的試驗器（見圖1）。它們的尺寸參數(shù)見表1。為今后闡述方便起見，我們稱移C管段為進氣段、≯B為燃燒室、≯A為出氣段。
表1進、出氣段不同收縮比的脈動試驗器一覽表
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┃ 試驗器編號 ┃No．1 ┃ No.2 ┃ No．3 ┃ No．4 ┃ No．5 ┃ No.6 ┃
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┃ 4A mm ┃4160 ┃4106 ┃西70 ┃擊52 ┃擊70 ┃西52 ┃
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┃ 4B mm ┃4160 ┃4160 ┃+160 ┃+160 ┃4160 ┃4160 ┃
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┃ +C mm ┃4160 ┃4106 ┃擊70 ┃擊52 ┃4106 ┃4106 ┃
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┃ 出氣段收縮 ┃ 1 ┃ 0.44 ┃ 0.19 ┃ 0.11 ┃ 0.19 ┃ 0.11 ┃
┃ 比4A／曲B ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
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┃ 進氣段收縮 ┃ 1 ┃ 0,44 ┃ 0.19 ┃ 0 11 ┃ 0.44 ┃ 0.44 ┃
┃ 比西C／西B ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
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根據(jù)我佃的經(jīng)驗和對Higgins-Rijke型熱聲現(xiàn)象的認識[3】’這種燃燒器的頻率特性不受熱源種類的影響。因此，我們用電加熱的方法作熱源，而不是用固、液或氣體燃料燃燒做熱源，這樣熱源參數(shù)易于控制和調(diào)整。沿試驗器軸向安裝了10支熱電偶，測量溫度分布。熱電偶的間距是不相等的，溫度變化較大區(qū)域熱電偶間距相對小些（熱電偶沿軸向的安裝位置見圖2）。由直徑為0.6 mm的鎳鉻鎳鋁絲組成的露頭鎧裝熱電偶，動態(tài)響應很好。用YE2539高速靜態(tài)電阻應變儀每隔10 s采樣一次。試驗器內(nèi)氣體脈動頻率由安放在進氣口處的CA-YD5,4加速度傳感器拾取。訊號經(jīng)電荷放大器放大后，輸入雙跡陰極射線示波器，由函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的訊號進行比較。由于Rijke-ZT型脈動燃燒器內(nèi)的聲波不是純正弦波，基波上疊加了一些諧波，因此不能用通常的頻率計數(shù)器直接讀得主頻率值。
測得的相應溫度分布見表2。測得的主頻率值見表3。
進、出氣段通氣截面積相同時試驗器的主頻率與溫度分布的關系見表2中的No．1，No．2，No．3，N04，進、出口段通氣截面積不同時的頻率特性見表2中的No．5，No．6
圖2熱電偶分布示意圖
表2 各點熱電偶測得的溫度值
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┃ ┃ 溫度分布／oC ┃
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┃誡驗器編號 ┃HOO ┃H01 ┃H02 ┃H03 ┃H04 ┃H05 ┃H06 ┃H07 ┃H08 ┃H09 ┃
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┃ No．1 ┃ 56 ┃ 59 ┃ 77 ┃ 83 ┃112 ┃178 ┃ 271 ┃ 95 ┃ 34 ┃ 24 ┃
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┃ No．2 ┃ 76 ┃ 80 ┃ 82 ┃ 84 ┃ 109 ┃ 167 ┃ 356 ┃ 83 ┃ 29 ┃ 21 ┃
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┃ No．3 ┃ 89 ┃ 93 ┃ 96 ┃ 99 ┃ 107 ┃ 224 ┃ 237 ┃ 136 ┃ 34 ┃ 22 ┃
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┃ No．4 ┃ 75 ┃ 87 ┃ 93 ┃ 95 ┃139 ┃ 233 ┃244 ┃135 ┃ 29 ┃ 21 ┃
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┃ No.5 ┃ 82 ┃ 99 ┃ 107 ┃ 121 ┃ 125 ┃ 182 ┃ 404 ┃ 107 ┃ 36 ┃ 23 ┃
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┃ No．6 ┃ 50 ┃ 76 ┃ 78 ┃ 82 ┃ 98 ┃ 131 ┃ 376 ┃ 80 ┃ 31 ┃ 23 ┃
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表3實驗用Rijke-ZT生物質(zhì)燃燒爐的實測頻率與計算頻率對比表
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┃ 試驗器編號 ┃No．1 ┃ No．2 ┃ No．3 ┃ No．4 ┃ No．5 ┃ No．6 ┃
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┃實測基頻/Hz ┃ 113.3 ┃ 86.9 ┃ 60 l ┃ 46.8 ┃ 75.3 ┃ 71 1 ┃
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┃計算頻率/Hz ┃ 111.2 ┃ 83.0 ┃ 59.6 ┃ 45.8 ┃ 74.3 ┃ 68.4 ┃
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┃ 誤差／% ┃ 1.9 ┃ 4.5 ┃ 0.8 ┃ 2.1 ┃ 1.3 ┃ 3.8 ┃
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2 Rijke-ZT型脈動生物質(zhì)燃燒爐的頻率公式
圖3是用來推導Rijke-ZT型無閥自激脈動生物質(zhì)燃燒爐工作頻率的示意圖。
將該生物質(zhì)燃燒爐劃分為4個區(qū)域I，II，III，IV。嚴格地講，工質(zhì)空氣從進氣口1進入生物質(zhì)燃燒爐后，溫度在不斷變化。在熱源處空氣接受大量熱量而使溫度達到最
Rijke-ZT型脈動生物質(zhì)燃燒爐的頻率特性研究
3討論
為了考核本文推導的頻率計算公式(12)和(13)的適用性，我們還用過去實驗中得到的數(shù)據(jù)與用式(12)和(13)計算的結(jié)果進行比較。一組是燃煤的Rijke-ZT型脈動生物質(zhì)燃燒爐，一個是燃油的多管Rijke-ZT翌脈動燃燒器，它們的尺寸見表4。計算的結(jié)果和測得的頻率值列于表5。
表5燃煤、燃油Rij ke- ZT燃燒器的實測頻率與計算頻率對比表
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┃ 燃燒器編號 ┃ 燃煤1 ┃ 燃煤2 ┃ 燃煤3 ┃ 燃油l ┃
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┃ 實測基頻/Hz ┃ 70 ┃ 60 ┃ 75 ┃ 30 ┃
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┃ 計算頻率/Hz ┃ 70.0 ┃ 62.3 ┃ 78.2 ┃ 30.5 ┃
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┃ 誤差% ┃ O ┃ 3.8 ┃ 4.3 ┃ L7 ┃
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從表3和表5看出，在不同的結(jié)構(gòu)尺寸和不同的熱源條件下，式(12)和(13)均能較好地計算Rijke-ZT型無閥自激脈動燃燒器的諧振基頻，誤差均在5Vo以內(nèi)。
需要指出的是，由于進氣段、燃燒室和出氣段中氣流的溫度沿軸向是變化的，在取平均溫度時可能引入一些誤差，所幸的是，用式(12)或【13)計算頻率時，引入的少量誤差幾乎不影響頻率計算值。我們以試驗器編號No．2為例進行了計算，當死- 150。時，計算頻率為83.03 Hz，當疋改變?yōu)?400和1600（其他參數(shù)均不變），計算頻率分別為83.01 Hz和83.05 Hz，我們認為該試驗器的主頻為83 Hz是足夠準確的，其誤差在0.6Vo，工程上已足夠用。
值得注意的是，這絕不是說溫度分布對頻率計算沒有影響。相反，從式(12)和(13)看出，溫度分布形成的~／凳，√凳，√凳等等對諧振頻率產(chǎn)生直接髟響。我們又以試驗器編號No．2為例進行了計算。在幾何參數(shù)不變的條件下，將溫度分布取用燃油脈動燃燒器的。計算結(jié)果表明，諧振基頻從83 Hz上升到107 Hz。由于聲速與工質(zhì)溫度有關，因此溫度升高必導致諧振頻率的提高，這是可以理解的。
4結(jié)論
(1) Rijke-ZT型自激脈動生物質(zhì)燃燒爐的工作基頻不僅與其形狀和尺寸有關，而且與工質(zhì)在生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)的溫度分布有密切關系。
(2)當Rijke-ZT型燃燒器的工質(zhì)溫度分布分段用其算術(shù)平均值來處理時，用公式(12)計算所得主頻與實際測得的工作基頻的誤差在5Vo以內(nèi)，能滿足工程使用要求。
(3) Rijke-ZT型自激脈動燃燒器的工作基頻只與其形狀、尺寸和溫度分布有關，而與熱源的性質(zhì)（燃煤、燃油或電加熱等）無關。
生物質(zhì)燃燒機
生物質(zhì)顆粒燃燒機
木片燃燒機
木粉燃燒機
鋸末燃燒機
燃燒機
顆粒燃燒機
木塊燃燒機
生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com
