dg-生物質(zhì)燃燒機(jī)性能的實(shí)驗(yàn)研究
摘要：為保證微型熱光電動(dòng)力系統(tǒng)能穩(wěn)定、高效地工作，生物質(zhì)燃燒機(jī)壁面需有較高的溫度，且分布均勻，對(duì)采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)的微型生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，分析了孔隙率、CH4/02混合比等因素對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)性能的影響，結(jié)果表明，采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)可以改善生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)的燃燒傳熱過(guò)程；合理選擇孔隙率和工況參數(shù)，可以?xún)?yōu)化生物質(zhì)燃燒機(jī)壁面溫度分布，提高系統(tǒng)工作性能．
    徼型熱光電（micro thermophotovoltaic，MTPV）動(dòng)力系統(tǒng)是一種新概念的微動(dòng)力系統(tǒng)，由熱光電( TPV)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)發(fā)展而來(lái)．TPV系統(tǒng)的基本原理是把燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能以熱輻射形式釋放，使用光電池將其轉(zhuǎn)換成電能．TPV系統(tǒng)作為一種清潔、靜噪的電源，具有很多優(yōu)點(diǎn)：無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、功率密度高、燃料范圍廣．最近幾年，由于低能帶隙光電池和耐高溫材料領(lǐng)域的進(jìn)展，MTPV系統(tǒng)的研究引起了人們的關(guān)注．MT-PV系統(tǒng)在空間足度上的縮小，使面積／容積比率增大，可更充分地利用燃燒輻射來(lái)激發(fā)熱光電產(chǎn)生電流，提高能量轉(zhuǎn)換效率[1-31．
    MTPV系統(tǒng)主要包括3大部分：微型生物質(zhì)燃燒機(jī)、可選擇波長(zhǎng)輻射器和光電池．其系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1．微型燃燒器是MTPV系統(tǒng)中燃料燃燒釋放熱能的空間，作為MTPV系統(tǒng)的能量源，研究其結(jié)構(gòu)、燃燒和換熱過(guò)程，對(duì)改善燃燒、提高效率、降低污染排放、提高工作穩(wěn)定性有重要意義．
    多孔介質(zhì)中的超絕熱燃燒是國(guó)外在20世紀(jì)80年代末和90年代中發(fā)展起來(lái)的新型燃燒技術(shù)[4]．但筆者尚未見(jiàn)到在諸如MTPV等微動(dòng)力系統(tǒng)中應(yīng)用的研究報(bào)告．現(xiàn)有MTPV微型生物質(zhì)燃燒機(jī)的最大缺陷在于預(yù)混合氣在微型火焰管內(nèi)的駐留時(shí)間太短，在其內(nèi)部不能充分燃燒，進(jìn)而使經(jīng)火焰管壁面的熱傳導(dǎo)和輻射所傳遞的能量比例大大降低‘5-6．為了延長(zhǎng)預(yù)混合氣在微型燃燒管內(nèi)的駐留時(shí)間、強(qiáng)化燃燒和傳熱，本文提出了在MTPV系統(tǒng)中采用多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的設(shè)想．讓混合氣在多孔介質(zhì)燃燒室中燃燒，利用其相對(duì)于自由空間的氣體而言強(qiáng)大得多的蓄熱功能和輻射特性，實(shí)現(xiàn)熱反饋，從而使燃燒反應(yīng)大大增強(qiáng)，提高燃燒速度，使火焰溫度升高，并擴(kuò)展混合氣的可燃極限．由于固體材料的熱傳導(dǎo)和輻射性能優(yōu)于氣體，使得多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)具有燃燒率高、火焰穩(wěn)定、易控制燃燒區(qū)溫度、壁面溫度分布相對(duì)均勻等特點(diǎn)‘7]，這對(duì)于利用壁面輻射傳遞能量的MIPV動(dòng)力系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是最為理想的燃燒方式．
    筆者通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究，探討了多孔介質(zhì)微型生物質(zhì)燃燒機(jī)在MIPV系統(tǒng)中的可行性，分析主要參數(shù)對(duì)燃燒過(guò)程的影響．
1  實(shí)驗(yàn)裝置
    本實(shí)驗(yàn)所用燃料為CH4，并以02為助燃劑．實(shí)驗(yàn)裝置如圖2歷示．流量控制系統(tǒng)采用美國(guó)MSK流量控制器，用來(lái)精確控制CH4和02的體積流量，按一定的混合比向生物質(zhì)燃燒機(jī)提供燃料混合氣．
    生物質(zhì)燃燒機(jī)為圓管狀結(jié)構(gòu)，其材料選用了具有較強(qiáng)耐高溫性能的Al2 03陶瓷．生物質(zhì)燃燒機(jī)直徑為10 mm，長(zhǎng)度為25 mm.在管內(nèi)填充不同直徑的陶瓷球形成多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)．陶瓷球的直徑為1~3 mm不等，經(jīng)過(guò)認(rèn)真篩選，使每種測(cè)試的多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)具有相同直徑的陶瓷球．
    燃燒狀況通過(guò)測(cè)量生物質(zhì)燃燒機(jī)管壁和出口端面的溫度進(jìn)行考察．用直徑為0.3 mm的S型鉑銠一鉑熱電偶進(jìn)行測(cè)量．在沿燃燒管長(zhǎng)方向布置5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，在出口沿徑向有5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)．
2  實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1  孔隙率￡的影響
    孔隙率占是多孔介質(zhì)中空隙容積v.與多孔介質(zhì)總?cè)莘ev之比，是影響多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒傳熱的重要參數(shù)之一．根據(jù)在生物質(zhì)燃燒機(jī)管內(nèi)填充的陶瓷球直徑的不同，形成的多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率不同，在實(shí)驗(yàn)研究中，采用了孔隙率占分別為0. 37、0.42、0.68的燃燒管和不填充陶瓷球的空管（占=1）．
    表1為在不同的孔隙率8、不同面容比以（固體骨架總表面積A與多孔介質(zhì)總?cè)莘ev之比）、不同的入口流量Q時(shí)，混合燃?xì)饣瘜W(xué)當(dāng)量比在a=l的條件下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的燃烷器壁面的平均溫度（生物質(zhì)燃燒機(jī)壁面
5點(diǎn)測(cè)溫的算術(shù)平均值）．
    由表l可見(jiàn)，人口流量Q= 105 CII13／mlll時(shí)，多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的壁面平均溫度均達(dá)到1 000 K以上，而空管生物質(zhì)燃燒機(jī)在Q= 150 CI113／IIUI1時(shí)壁面平均溫度才達(dá)到1 000 K，這也說(shuō)明采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)可以獲得較高的燃料利用率．
    圖3為不同的孔隙率對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)壁面溫度和出口溫度影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果．由圖3(a)可見(jiàn)，當(dāng)孔隙率占等于1（空管）時(shí)，生物質(zhì)燃燒機(jī)壁溫從人口端到出口端逐漸升高且變化幅度較大，這說(shuō)明由于在空管中燃?xì)怦v留時(shí)間短，混合氣在通過(guò)生物質(zhì)燃燒機(jī)時(shí)，初期的燃燒放熱量較小，主要燃燒放熱集中在生物質(zhì)燃燒機(jī)的后段；當(dāng)采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，混合氣體在其孔隙中流動(dòng)、燃燒，多孔介質(zhì)固體骨架對(duì)其進(jìn)行了有效的加熱，使之燃燒充分，多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)管壁溫度明顯高于空昝生物質(zhì)燃燒機(jī)．由圖3(b)可見(jiàn)，空管生物質(zhì)燃燒機(jī)的出口溫度則比較高，說(shuō)明燃燒損失增加．
    從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，采用多孔介質(zhì)后，從入口到出口，隨著燃燒放熱量的增大，生物質(zhì)燃燒機(jī)壁溫逐漸升高，同時(shí)孔隙內(nèi)的燃燒產(chǎn)物也在增多，使得后期的燃燒放熱受到影響，導(dǎo)致生物質(zhì)燃燒機(jī)壁溫有所降低，生物質(zhì)燃燒機(jī)壁溫呈先升后降的變化．而且隨著孔隙率占的減小，壁溫達(dá)到最大值的位置也向人口段移動(dòng)，說(shuō)明在孔隙率占較小時(shí)燃燒產(chǎn)物的存在對(duì)未燃燃料的燃燒影響加大．
    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)孔隙率艿由1減小到0. 68、0. 42時(shí)，生物質(zhì)燃燒機(jī)壁面溫度升高，且壁面溫度分布梯度減小，同時(shí)出口溫度降低．但當(dāng)孔隙率占減小到0. 37時(shí)，生物質(zhì)燃燒機(jī)壁面溫度反而有所降低，出口溫度有所提高．這是由于當(dāng)孔隙率占減小到一定程度時(shí)，面容比力隨之增大所致．雖然固體骨架對(duì)燃料進(jìn)行了有效的加熱，使之燃燒充分，但是面容比的加大，使散熱面積相應(yīng)增加，影響燃燒穩(wěn)定性，同時(shí)燃燒所占空間過(guò)小，使得燃料駐留時(shí)間減少，導(dǎo)致燃燒和換熱不充分．
2.2 CH4/02混合比的影響
    燃燒反應(yīng)的進(jìn)行取決于燃料的濃度、溫度以及在高溫區(qū)的滯留時(shí)間，因此CH4/02混合氣的混合比是影響多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒過(guò)程的一個(gè)重要因素．
    孔隙率占為0. 42，？昆合氣流量Q為150 cm3/min時(shí)，CH。/02當(dāng)量比a對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)壁溫和出口溫度的影響，見(jiàn)圖4．
    由圖4可見(jiàn)，當(dāng)孔隙率和混合氣流量不變時(shí)，隨著CH。/02混合比的變化，生物質(zhì)燃燒機(jī)壁溫及出口溫度也相應(yīng)變化，根據(jù)反應(yīng)方程，完全燃燒時(shí)，CH4/02泥合氣的混合比為1：2.因此，CH4/02混合比在1:2左右，即當(dāng)量比a=l時(shí)，生物質(zhì)燃燒機(jī)壁溫及出口溫度較高；而隨著混合氣CH4的減少，生物質(zhì)燃燒機(jī)壁溫及出口溫度隨之降低．所以，為了獲得熱光電轉(zhuǎn)換所必需的燃燒溫度，CH4/02混合比應(yīng)保證在1:2左右．
(a)壁面溫度
    (b)出口溫度
2.3入口流量Q的影響
    孔隙率8為0. 42，CH4/02混合氣當(dāng)量比a為1時(shí)，人口流量p對(duì)生物質(zhì)燃燒機(jī)壁溫和出口溫度的影響見(jiàn)圖5．由圖5可見(jiàn)，在孔隙率和CH4/02混合比不變時(shí)，隨(a)壁面溫度    (b)出口溫度
著人口流量Q的增加，壁面溫度和出口溫度都會(huì)相應(yīng)升高．要使生物質(zhì)燃燒機(jī)壁溫達(dá)到一定的溫度，必須要保證足夠的人口流量Q．但入口流量也不宜過(guò)大，從圖中Q=150 cm3/min工況可看出，壁溫升高不明顯，而出口溫度顯著升高，熱損失增大，這是由于流量增加使流速增大，燃?xì)怦v留時(shí)間減少，壁溫升高又使燃燒效率下降，因而會(huì)降低綜合效率．
3結(jié)論
    (1)微型生物質(zhì)燃燒機(jī)采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)可以改善燃燒器內(nèi)的燃燒過(guò)程，多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)的壁面溫度明顯高于空管生物質(zhì)燃燒機(jī)，并且分布均勻，出口溫度降低，這對(duì)改善MTPV系統(tǒng)中燃燒輻射器的性能，提高能量轉(zhuǎn)換效率，都有十分重要的指導(dǎo)意義．
    (2)孔隙率占是影響多孔介質(zhì)生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)燃燒的一個(gè)重要影響因素，孔隙率占過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)燃燒產(chǎn)生不利的影響，在本研究條件下，孔隙率占為0. 42時(shí)最佳．

    (3)為了獲得熱光電轉(zhuǎn)換所必需的燃燒溫度，CH4/02混合比應(yīng)保證在1:2左右（當(dāng)量比a=l）的同時(shí)，還要保證適當(dāng)?shù)娜丝诹髁縌．

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