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、傳熱系數大、污染物排放量低及可自吸排氣等優(yōu)點,但脈動燃燒機理復雜,燃燒器組件之間耦合性強,實現(xiàn)穩(wěn)定脈動燃燒對運行條件及結構設計要求較高,故脈動燃燒器的設計大多是依靠反復實驗得以實現(xiàn)。傳統(tǒng)的機械閥式Helmholtz型脈動燃燒器運行可靠性差、受閥片自身性能影響使用壽命短、熱負荷調節(jié)范圍窄,使得脈動燃燒設備大型化受到限制;同時脈動燃燒技術的實驗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計和有效利用空間,

2、需采用彎尾管結構。本文建立了彎尾管Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器實驗系統(tǒng),進行了頻率特性、運行特性及傳熱和燃燒等熱工特性的理論和實驗研究,得如下研究結果:
　　建立了彎尾管Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器實驗系統(tǒng),取消了傳統(tǒng)的機械閥,采用連續(xù)供氣方式,設計了不同的彎尾管結構形式,利用燃燒器聲學結構與燃料燃燒放熱耦合實現(xiàn)脈動燃燒,可以自主調節(jié)熱負荷。實驗結果表明所設計的彎尾管Helmholtz型無閥自激連續(xù)供氣式脈動燃

3、燒器可實現(xiàn)穩(wěn)定的脈動燃燒,脈動振幅較大、頻率較低。
　　實驗研究了彎尾管Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器的壓力特性。穩(wěn)定運行時,燃燒室內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;在不改變燃燒器結構參數的條件下,壓力振幅隨熱負荷和過量空氣系數的增大而增大。實驗研究得到了脈動燃燒器的NOx排放特性,當燃燒器結

4、構不變時,尾管出口煙氣中NOx排放量在開始階段隨熱負荷的增加而增大,當熱負荷增加到某一值時NOx的排放量最大,而后NOx排放量隨熱負荷的增加而減少;NOx排放量隨過量空氣系數的增加而減少。本文實驗條件下脈動燃燒器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荷區(qū)間,在此區(qū)間內雖然熱負荷較高,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,這一特點對Helmhotlz型脈動燃燒器運行時如何降低NOx的排放量有很大的指導意義。
　　運用流體網絡理論,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理論模型,該模型考慮了燃燒器的結構參數、尾管傳熱、尾管阻力及運行參數對燃燒器運行特性的影響,推導出脈動頻率的理論計算式。穩(wěn)定運行時,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;在不改變燃燒器結構參數的條件下,脈動頻率隨過量空氣系數的增加而降低,隨熱負荷的增加而增大;理論計算結果與實驗結果吻合較好。不同尾管結構的脈動燃燒器在改變熱負荷和過量空氣系數時均出現(xiàn)了頻率跳變現(xiàn)象,燃燒器在較高的熱負荷和適當增加過量空氣系數下運行能有效阻止脈動頻率的跳變。尾管結構參數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。
　　實驗研究了彎尾管Helmholtz型無閥自激脈動燃燒器尾管的傳熱特性,結果表明尾管傳熱系數隨脈動壓力振幅和頻率的增加而增大,是相同雷諾數下穩(wěn)定流傳熱系數的2～5倍;彎尾管傳熱系數較直尾管大。采用Fluent軟件對90?彎尾管脈動燃燒器尾管內脈動流動和傳熱特性進行了數值模擬,得到尾管內煙氣流動特性,分析了脈動燃燒器彎尾管換熱增強的原因。
　　采用Fluent軟件對Helmhotlz型無閥自激脈動燃燒器