| 木粉燃燒機(jī)冷態(tài)流動特性的實驗研究 |
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鄭州達(dá)冠節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司
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木粉燃燒機(jī)冷態(tài)流動特性的實驗研究 摘要：利用IFA300型二維恒溫?zé)峋風(fēng)速儀系統(tǒng)對雙旋流氣體燃燒器模型的冷態(tài)流場進(jìn)行了實驗研究，測量了流場內(nèi)不同位置瞬時速度分布及湍流強(qiáng)度特性。研究表明，該燃燒器能夠組織合理的空氣動力場，對負(fù)荷變化有較好的適應(yīng)性。對比不同擴(kuò)口結(jié)構(gòu)下的流場，發(fā)現(xiàn)安裝一定結(jié)構(gòu)的縮放擴(kuò)口可以更好地促進(jìn)燃料穩(wěn)定、高效、清潔燃燒。異向旋轉(zhuǎn)射流不利于燃料與空氣的均勻混合，還會使回流區(qū)長度大大縮短，在設(shè)計燃燒器時應(yīng)避免這種結(jié)構(gòu)。 1 引 言 旋流燃燒器具有穩(wěn)定、高效、清潔燃燒的特點，而且結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的負(fù)荷適應(yīng)能力，因此從20世紀(jì)70年代起受到了越來越多的制造商及發(fā)電企業(yè)的重視和青睞[1]， 國內(nèi)外很多學(xué)者利用多種測量儀器和實驗方法對各種類型旋流燃燒器的空氣動力場進(jìn)行了大量的研究：Dix on等人利用五孔探針研究了一次風(fēng)不同旋流強(qiáng)度下旋轉(zhuǎn)射流的流動特性舊。Vu等人利用球型五孔探針和一維恒溫?zé)峋風(fēng)速儀測量了同軸共向和反向旋轉(zhuǎn)組合射流的時均流場及湍流特性參數(shù)舊，發(fā)現(xiàn)了這兩種流動結(jié)構(gòu)湍流能量的分布規(guī)律。李爭起利用相位多普勒激光測速儀(PDA)在徑向濃淡流煤粉燃燒器上研究了齒形中心擴(kuò)口對氣固兩相流場的影響H，得出了此結(jié)構(gòu)下顆粒濃度的分布規(guī)律。周屈蘭利用雙通道熱線風(fēng)速儀對兩種徑向濃淡燃燒器的空氣動力場特性和燃燒過程進(jìn)行了詳細(xì)的實驗研究，并建立了分別與之對應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。 氣體旋流燃燒器分為中心進(jìn)氣和周向進(jìn)氣兩種，其燃料一般為單一煤氣。隨著旋流燃燒技術(shù)的進(jìn)步，氣體旋流燃燒器正沿著適合多種可燃性氣體混合燃燒的方向發(fā)展。為了研究新型氣體旋流燃燒器的氣流流動特性，建立了雙旋流氣體旋流燃燒器的實驗臺。本文采用二維熱線風(fēng)速儀對其冷態(tài)流場進(jìn)行了測量，得出了在燃燒器出曰安裝不同擴(kuò)口時空氣動力場的分布規(guī)律，并考察了安裝縮放擴(kuò)口時燃燒器對負(fù)荷的適應(yīng)能力，以期進(jìn)一步了解安裝縮放擴(kuò)口時燃燒器的穩(wěn)燃特性，為多組分氣體燃燒器的設(shè)計提供詳細(xì)的實驗資料。 2 實驗系統(tǒng)及方法 2.1 實驗設(shè)備及測量儀器 實驗所采用的木粉燃燒機(jī)模型與實物的比例為1:2.5，噴口外徑為d一364 rruu，軸向旋流葉片傾斜角為600，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該燃燒器以焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣的混合氣作為主燃料，結(jié)合多管式天然氣燃燒器的原理，將天然氣作為二級燃料獨(dú)立燃燒。其中焦?fàn)t、高爐混合煤氣通過軸向旋流葉片產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，空氣通過蝸殼產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。采用美國TSI公司生產(chǎn)的JFA 300型恒溫?zé)峋風(fēng)速儀對燃燒器出口流場內(nèi)的氣流速度及湍流特征參量進(jìn)行測量，通過飄帶示蹤法確定空間氣流的方向，利用1240型二維探針同時測量旋轉(zhuǎn)射流的軸向和切向速度分量，并由其配套軟件計算出湍流強(qiáng)度。 2.2實驗方法及參數(shù) 冷態(tài)實驗中各入口處的氣體均以空氣代替，額定負(fù)荷下各實驗參數(shù)如表1所示，經(jīng)計算各參數(shù)滿足相似；脑瓌t[61，因此所得結(jié)論適用于實際流場。在燃燒器出口處安裝縮放擴(kuò)口，通過調(diào)節(jié)各個入口的風(fēng)量研究不同負(fù)荷(80%、100%、120%)T燃燒器出口的流場特征，并在額定負(fù)荷條件下，研究不擴(kuò)口結(jié)構(gòu)（縮放擴(kuò)口、無擴(kuò)口、漸縮擴(kuò)口）及軸向旋流葉片傾斜方向?qū)α鲌龅挠绊憽?br /> 3 實驗結(jié)果及分析 3.1 負(fù)荷的影響 額定負(fù)荷下燃燒器出口速度分布如圖2所示。隨著負(fù)荷的增加，軸向和切向速度的大小均會相應(yīng)增加，但其分布規(guī)律卻基本相同。在一定的負(fù)荷變化范圍內(nèi)，燃燒器出口流場的回流區(qū)形狀幾乎不發(fā)生變化，始終保持合理的細(xì)長形狀，使得足夠的高溫?zé)煔饣亓，為?nèi)層燃料氣流的著火提供穩(wěn)定的熱源。軸向速度衰減較慢，形成較長的火焰長度，有利于燃燒后期的擾動和混合，使燃料燃盡。切向速度有一定的張角，使空氣環(huán)繞在火焰周圍，形成氧化性氣氛，能夠有效地防止水冷壁的高溫腐蝕。在上述負(fù)荷范圍內(nèi)均能合理地組織爐內(nèi)空氣動力場，這表明雙旎流氣體燃燒器對負(fù)荷有著較好的適應(yīng)性。 不同負(fù)荷下流場湍流強(qiáng)度的分布如圖3所示。隨著負(fù)荷的增加，湍流強(qiáng)度也相應(yīng)增加，各股氣流之間的混合能力也相應(yīng)增強(qiáng)。在回流區(qū)頂部(Y≈1.7)，湍流強(qiáng)度有不同程度的突降，且負(fù)荷越低，突降程度越高，這說明負(fù)荷降低，在回流區(qū)邊界場分布趨于穩(wěn)定，不利于各股氣流之間的混合。在離噴口較遠(yuǎn)處。當(dāng)負(fù)荷高于額定負(fù)荷日寸，其湍流強(qiáng)度有明顯升高，因此適當(dāng)增加負(fù)荷有利于燃料后期的燃盡。 3.2擴(kuò)口結(jié)構(gòu)的影響 額定負(fù)荷時，將燃燒器出口處的縮放擴(kuò)口去掉及安裟漸縮擴(kuò)口時所得流場分別如圖4和圖5所示。對比圖2、圖4和圖5，去掉縮放擴(kuò)口后射流軸向速度增大，但衰減很快，安裝漸縮擴(kuò)口時，射流軸向速度比無擴(kuò)口時要小，衰減也更快，但生物質(zhì)燃燒機(jī)出口的切向速度普遍較大，切向速度值幾乎是前兩種結(jié)構(gòu)的兩倍，而且衰減也較慢。只是具有較高切向速度的區(qū)域較為狹窄，基本上局限在X≈0.3范圍內(nèi)的環(huán)形帶上。 去掉擴(kuò)口后，回流區(qū)長度只有y≈1.1左右，而安裝漸縮擴(kuò)口時，回流區(qū)長度降為y銣．4。通過計算各截面上的回流率可以發(fā)現(xiàn)相同負(fù)荷下，安裝縮放擴(kuò)口的截面回流率，而且衰減速率最慢，有利于卷吸更多的高溫介質(zhì)，組織穩(wěn)定的火焰燃燒。 額定負(fù)荷下，不同擴(kuò)口結(jié)構(gòu)對湍流強(qiáng)度的影響如圖7所示。去掉擴(kuò)口后，湍流強(qiáng)度在出口處就達(dá)到值，且湍流強(qiáng)度高于安裝縮放擴(kuò)口的情況但在其回流區(qū)內(nèi)，衰減極為劇烈。安裝漸縮擴(kuò)口后，在物質(zhì)燃燒機(jī)出口附近其湍流強(qiáng)度整體較低，而在距出口較遠(yuǎn)處（Y>2.5），其整體水平甚至高于安裝縮放擴(kuò)口的情況。主要是由于在出口附近，其切向速度較大，雖然也有衰/J但遠(yuǎn)離出口后，切向速度仍具有相對軸向速度較高的數(shù)值，使得湍流強(qiáng)度較大，有利氣流之間的混合和燃料的燃盡。值得注意的是安裝漸縮擴(kuò)口后，生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場湍流強(qiáng)度的值并非出現(xiàn)在回流區(qū)內(nèi)，而是在氣體遠(yuǎn)離回流區(qū)后才突然增大到值。這主要是因為回流區(qū)很小，且回流速度值也很低的緣故。 3.3異向旋轉(zhuǎn)射流的影響 在額定負(fù)荷下，將軸向旋流葉片反向安裝后，得到生物質(zhì)燃燒機(jī)出口速度分布如圖8所示。對比圖2和圖8可以發(fā)現(xiàn)，異向旋轉(zhuǎn)使回流區(qū)長度大大縮短(Y≈0.5)，并且沿徑向切向速度的方向變化了兩次，說明異向旋轉(zhuǎn)的氣流混合程度較差，抑制了兩股氣流之間的擴(kuò)散和混合。 兩種旋轉(zhuǎn)組合方式下湍流強(qiáng)度的分布如圖9所示。同向旋轉(zhuǎn)的湍流強(qiáng)度在回流區(qū)內(nèi)普遍高于異向旋轉(zhuǎn)的情況，而在非回流區(qū)內(nèi)，湍流強(qiáng)度大小情況恰好相反。究其原因主要是異向旋轉(zhuǎn)時，兩股氣流主要在生物質(zhì)燃燒機(jī)出口附近混合程度較差，遠(yuǎn)離生物質(zhì)燃燒機(jī)出口后才進(jìn)行充分地混合，因此湍流程度衰減較慢，在非回流區(qū)內(nèi)還高于同向旋轉(zhuǎn)的情況。 4結(jié) 論 在一定范圍內(nèi)，負(fù)荷的變化對雙旋流氣體生物質(zhì)燃燒機(jī)出口流場的影響不大，該生物質(zhì)燃燒機(jī)對負(fù)荷變化。 |
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