潘劍鋒, 查正乾, 盧青波, 邵 霞, 盧志剛

(江蘇大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

微機電系統(tǒng)的發(fā)展對其能量供給單元提出了高能量密度、使用壽命長等高要求,基于燃燒的微動力系統(tǒng)能夠滿足這一要求.微熱光電系統(tǒng)是其中的一種,它還具備無運動部件、穩(wěn)定性好等優(yōu)點[1].微燃燒室作為微熱光電系統(tǒng)的核心部件,其外壁面溫度的高低及均勻性將直接影響系統(tǒng)的整體效率[2].因此,國內(nèi)外學(xué)者提出了一些改進燃燒室的方法.文獻[3]采用橢圓管燃燒室來提高燃燒效率.文獻[4]提出了增加臺階的方法來提高火焰的穩(wěn)定性及燃燒室的壁面溫度.文獻[5]提出使用隔熱材質(zhì)使瑞士卷燃燒器進行超焓燃燒.文獻[6]提出在燃燒室中添加多孔介質(zhì)來提高燃燒的穩(wěn)定性.文獻[7]采用燃燒室內(nèi)截面突變尺寸的方法來提高燃燒充分性和壁面溫度.文獻[8]提出分區(qū)燃燒的方法來提高預(yù)混合燃燒性能.文獻[9]通過添加異形鈍體的方法提高了壁面溫度分布的均勻性.文獻[10]采用7孔折流板提高火焰區(qū)燃燒強烈程度.然而,上述文獻主要分析燃燒室改進對微通道內(nèi)H2/air燃燒特性的影響.筆者通過改變隔板的嵌入方式和材料進行預(yù)混合CH4/air的燃燒試驗,分析對比燃燒室外壁面溫度和可燃界限變化情況,旨在獲得內(nèi)置隔板對燃燒室內(nèi)CH4/air預(yù)混合燃燒特性的影響規(guī)律.

1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示,從高壓氣瓶放出的CH4和air經(jīng)氣體質(zhì)量流量控制器控制流量后,在氣體混合器中進行混合,后導(dǎo)入燃燒室進行點火燃燒.試驗時,采用數(shù)碼相機(Pentax K50)拍攝火焰照片,采用紅外熱像儀測量燃燒室外壁面上的溫度分布.

圖1 試驗裝置示意圖

2 燃燒室材料和結(jié)構(gòu)

燃燒室由316不銹鋼板凹槽、1片JGS1高透光玻璃和2塊隔板構(gòu)成,其內(nèi)部通道尺寸為50 mm×13 mm×3 mm,隔板尺寸為30 mm×3 mm×0.5 mm,燃燒室壁厚為2 mm,燃燒室剖視圖如圖2所示.其中,隔板材料選取316不銹鋼和Pt.JGS1高透光玻璃物性參數(shù):密度為2 203 kg·m-3,比熱容為964 J·(kg·K)-1,導(dǎo)熱系數(shù)為2 W·(m·K)-1,可見光透光率95%以上;Pt的密度為21 450 kg·m-3,比熱容為130 J·(kg·K)-1,導(dǎo)熱系數(shù)為76 W·(m·K)-1.將隔板固定在燃燒室中心面兩側(cè)對稱布置.燃燒室A,B,C中的隔板分別距燃燒室入口0,10,20 mm.

圖2 燃燒室剖視圖(單位:mm)

3 試驗方法

可燃界限試驗時,先固定CH4流量,以較大的當(dāng)量比進行點火試驗,若火焰不能進入燃燒室,則增加空氣流量,逐步減小當(dāng)量比,以獲得火焰進入燃燒室時的當(dāng)量比;后逐步減小當(dāng)量比直到火焰在燃燒室內(nèi)熄火,獲得該CH4流量下熄火時的當(dāng)量比.逐步改變CH4流量,重復(fù)上述過程進行試驗,獲得對應(yīng)燃燒室內(nèi)的可燃界限.紅外熱像儀對燃燒室玻璃壁面成像,主要因為玻璃壁面較不銹鋼面更為光滑,受壁面顆粒的影響較小.試驗在室溫下進行,多次測量取平均(每個工況至少測量5次),相同條件下當(dāng)量比的測試結(jié)果最大差值為3.78%.

4 試驗結(jié)果分析

4.1 隔板到入口距離對燃燒特性的影響

針對圖2中的燃燒室,對CH4/air預(yù)混燃燒的可燃界限進行測試,結(jié)果如圖3所示,針對特定的燃燒室均對應(yīng)2條曲線,上面的一條為火焰能進入燃燒室時不同流量所對應(yīng)的當(dāng)量比,下面的一條為火焰被吹熄時不同流量所對應(yīng)的當(dāng)量比.這樣,它們組成的區(qū)域即為預(yù)混氣在燃燒室A內(nèi)的可燃界限.

圖3 不同燃燒室內(nèi)的可燃界限

從圖3可以看出:相同CH4流量下,火焰進入單通道時需要的空氣量最少,其次是進入燃燒室B和A時需要的空氣量,進入燃燒室C時需要的空氣最多,這是因為單通道燃燒室內(nèi)無隔板,火焰進入燃燒室時通過外壁面散失的熱量較少;而燃燒室C的火焰要進入燃燒室時,在火焰附近就有隔板,熱量流失和壁面淬熄較嚴重,且該燃燒室出口面積最小,預(yù)混氣體流速最大,所以隔板會增大火焰進入燃燒室的難度;CH4流量小于60 mL·min-1時,燃燒室C中火焰熄滅時當(dāng)量比最小,即火焰更不容易熄滅,這是因為隔板位置距離火焰較遠,對內(nèi)部燃燒過程影響較小,且隔板使尾氣中熱量向燃燒室前端傳遞的強度增加,甚至導(dǎo)致熄火時對應(yīng)的當(dāng)量比比無隔板的燃燒室要小;當(dāng)CH4流量大于60 mL·min-1時,燃燒室C內(nèi)火焰吹熄時的當(dāng)量比急劇增大,并在CH4流量為82 mL·min-1時,任意當(dāng)量比下,火焰不能在燃燒室內(nèi)穩(wěn)定,這是因為隨著CH4流量增大,需要的空氣量增大,燃燒室內(nèi)氣體流速增加,火焰燃燒充分性降低,且熱損失增大.

4.2 隔板間距對燃燒演變過程的影響

對于燃燒室B,改變隔板垂直流動方向的位置,得到的隔板間距分別為2,4,8 mm,試驗時測得的燃燒過程演變?nèi)鐖D4所示.

試驗發(fā)現(xiàn),在所有當(dāng)量比下,火焰都無法進入間距為2 mm的隔板通道中.從圖4a可以看出:當(dāng)CH4進氣流量為60 mL·min-1時,隨著當(dāng)量比的降低,火焰停駐位置的變化過程為出口處燃燒(區(qū)域Ⅰ)、隔板間通道內(nèi)傳播(區(qū)域Ⅱ)、入口穩(wěn)定燃燒(區(qū)域Ⅲ)以及吹熄(區(qū)域Ⅳ).增加隔板間距后,從圖4b可以看出:火焰停駐位置變化和圖4a一樣,但是圖4a中區(qū)域Ⅱ?qū)?yīng)的當(dāng)量比范圍較小,且火焰?zhèn)鞯饺肟跁r對應(yīng)的當(dāng)量比較大,需要的空氣更少.這說明火焰更容易在隔板間距為4 mm的燃燒室內(nèi)傳播.這是因為圖4a中通道寬度較小,通道內(nèi)熱量更加集中.此外,圖4b出現(xiàn)易熄火區(qū)和不穩(wěn)定燃燒區(qū)域,火焰的穩(wěn)定性較差.易熄火主要是因為隔板將燃燒室中部分割成3個小通道,圖4a中3個通道寬度相等,而圖4b中3個通道寬度相差較大,所以圖4a相鄰?fù)ǖ莱隹谔庮A(yù)混氣流速較均勻.對于隔板間距為8 mm的燃燒室,當(dāng)流量大于70 mL·min-1時,出現(xiàn)了不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象,這主要是因為隨著燃燒室內(nèi)流量的增大,隔板間通道與相鄰?fù)ǖ篱g的流速差增大,導(dǎo)致流場擾動增大,使火焰峰面發(fā)生褶皺,甚至熄火.

圖4 不同隔板間距燃燒室內(nèi)火焰燃燒演變過程

4.3 隔板材料對燃燒特性的影響

由于燃燒室C內(nèi)火焰穩(wěn)定性較好,所以針對燃燒室C,改變隔板材料,對可燃界限進行測試,結(jié)果如圖5所示，相比不銹鋼材料,采用Pt材料時,增大了CH4的燃燒極限,減少了火焰進入燃燒室需要的空氣量,降低了火焰吹熄時的當(dāng)量比,即拓寬了可燃界限.這說明火焰更容易進入隔板材料為Pt的燃燒室,且在該燃燒室內(nèi)穩(wěn)定性更好.當(dāng)CH4流量為60 mL·min-1時,不同當(dāng)量比下燃燒室外壁面中心線上溫度分布如圖6所示,采用不銹鋼材料的燃燒室在當(dāng)量比為0.8時壁面溫度最高;而采用Pt材料的燃燒室在當(dāng)量比為0.7時壁面溫度最高,均在氧氣過量時獲得的高溫度分布,這是因為氧氣過量,流量增加,燃燒的高溫區(qū)域增大,和隔板之間的熱交換增強,而采用Pt時溫度更高更均勻,這是因為Pt高導(dǎo)熱性使更多高溫區(qū)熱量傳遞到低溫區(qū),此外隨著燃燒室內(nèi)溫度升高,Pt表面催化活性增大,催化反應(yīng)產(chǎn)生的熱量也提升了燃燒室外壁面的整體溫度.

圖5 隔板材料對火焰可燃界限的影響

圖6 不同當(dāng)量比燃燒室外壁面中心線上溫度分布

5 結(jié) 論

1) 相對于無隔板的燃燒室,隔板的加入會增大火焰進入燃燒室的難度.隔板布置在出口處,火焰進入燃燒室難度最大,且在大流量下無法在燃燒室內(nèi)燃燒,但在小流量時火焰熄滅時對應(yīng)的當(dāng)量比最小.

2) 當(dāng)隔板間距為2 mm時,火焰無法進入隔板之間.當(dāng)隔板間距為4 mm時,CH4/air預(yù)混火焰較易進入燃燒室,且穩(wěn)定性較好.

3) 相對于使用不銹鋼作為隔板材料,采用Pt作為隔板材料能拓寬可燃界限,并提升燃燒穩(wěn)定性.采用Pt作為隔板材料的燃燒室外壁面溫度能更高且更均勻,這主要是由于Pt的高導(dǎo)熱性和催化作用.

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