曾吉鵬， 潘登， 林長津， 高乃平

(1. 同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院， 上海 201804；2. 無錫小天鵝股份有限公司， 江蘇 無錫 214028)

目前，在國內(nèi)洗衣機(jī)接近400萬臺的銷售規(guī)模下，干衣機(jī)的銷量卻不足1萬臺，而國外家庭中兩者通常配套使用，因此，國內(nèi)干衣機(jī)具有巨大的市場潛力[1].干衣機(jī)根據(jù)制熱方式分為熱泵式、電力式、燃?xì)馐剑啾入娏Ω梢聶C(jī)，燃?xì)飧梢聶C(jī)除濕速率更快，烘干的衣服質(zhì)地蓬松[2-5].根據(jù)加拿大標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(Canadian Standards Association，CSA)制定的標(biāo)準(zhǔn)ANSI Z21.5.1-2015 CSA 7.1-2015[6]，燃?xì)飧梢聶C(jī)燃燒煙氣中CO折算值不能超過400 cm3·m-3，因此，燃燒器的設(shè)計(jì)尤為重要.燃燒設(shè)備采用半預(yù)混燃燒器，其一次空氣系數(shù)為0.45～0.75[7-9].研究表明，燃燒器使用旋流火孔在燃燒器前端形成中心回流區(qū)，增強(qiáng)煙氣在高溫區(qū)的停留時間，促進(jìn)燃料充分燃燒從而降低CO[10-11].徐佳恒[12]設(shè)計(jì)一款旋流燃燒器，測試發(fā)現(xiàn)煙氣流場中心的回流區(qū)保持火焰穩(wěn)定，有助于燃料充分燃燒.Heywood[13]研究發(fā)現(xiàn)燃燒時間持續(xù)長、燃燒溫度達(dá)到1 400 K時，高溫促使CO與OH氧化生成CO2和H.Zhang等[14]在燃燒器頭部火孔處采用旋流板后，引射器流量均勻性提高1.9%，燃?xì)饣旌暇鶆蛐蕴岣?.2%.

綜上，本文設(shè)計(jì)一款CO排放控制在標(biāo)準(zhǔn)400 cm3·m-3以內(nèi)的半預(yù)混旋流燃燒器，并采用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)模擬的方法，分析不同燃?xì)饬髁亢蛽醐h(huán)高度對CO排放的影響.

1 燃燒器的設(shè)計(jì)

燃燒器采用半預(yù)混燃燒器的設(shè)計(jì)思路，同時使用擋環(huán)和部分旋流火孔結(jié)構(gòu).燃燒器由引射器、燃燒器頭部和擋環(huán)三部分構(gòu)成.半預(yù)混旋流燃燒器的結(jié)構(gòu)，如圖1所示.

引射器總長度為127 mm，引射器包括漸縮段、混合段、漸擴(kuò)段三部分.引射器側(cè)面圖,如圖2所示.燃?xì)庖砸欢ㄋ俣葟囊淦髑暗闹行膰娮靽姵?，在引射器前部區(qū)域形成負(fù)壓區(qū)，進(jìn)而引射一次空氣.燃?xì)馀c一次空氣在引射器內(nèi)混合，混合氣從燃燒器頭部火孔流出后被通電的高溫點(diǎn)火針點(diǎn)燃.

圖1 半預(yù)混旋流燃燒器的結(jié)構(gòu) 圖2 引射器側(cè)面圖 Fig.1 Structure of semi-premixed vortex burner Fig.2 Side view of ejector

燃燒器頭部外形是直徑為35 mm、高為2 mm的圓柱體，燃?xì)馀c一次空氣經(jīng)過引射器后，在燃燒器頭部空腔內(nèi)混合.旋流燃燒器火孔分布在燃燒器頭部圓柱體側(cè)面和頂面，其中，側(cè)面有15個等距分布的圓形火孔，從圓形火孔噴射出的混合氣與二次空氣形成交叉流形式，從而促進(jìn)混合氣與二次空氣的混合，同時分散火焰體積，防止火焰局部高溫對燃燒器頭部或火焰筒造成高溫腐蝕；頂面以燃燒器中心線為軸，均勻分布8個矩形旋流火孔，旋流火孔可以加強(qiáng)燃?xì)饪諝饣旌铣潭?，降低燃?xì)廨S向速度，減少火焰長度，最終增加煙氣在高溫區(qū)的停留時間，促進(jìn)燃料的充分燃燒.該半預(yù)混旋流燃燒器火孔總面積為994 mm2，燃?xì)飧梢聶C(jī)額定功率為5 860 W，燃燒器火孔平均熱強(qiáng)度為5.89 W·mm-2.

在燃燒器頭部與引射器中間設(shè)計(jì)不同高度擋環(huán)，本研究中擋環(huán)高度分別為3,11,16 mm.擋環(huán)有兩個作用:一方面可以減弱二次空氣對側(cè)面圓形火孔周圍火焰的冷卻作用；另一方面，由于擋環(huán)的存在，二次空氣在擋環(huán)后方形成低速回流區(qū)，在保證二次空氣充足的條件下，擋環(huán)起到穩(wěn)定火焰、促進(jìn)燃料充分燃燒的作用.

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1 測試系統(tǒng)與裝置

燃?xì)飧梢聶C(jī)CO排放測試系統(tǒng)示意圖,如圖3所示.實(shí)驗(yàn)裝置主要包括變頻變壓器、丙烷氣罐、燃?xì)飧梢聶C(jī)、大氣式旋流燃燒器及實(shí)驗(yàn)測量裝置.測量裝置包括氣相色譜儀、Testo 480型壓力計(jì)、濕式流量計(jì)和Testo 350型煙氣分析儀.

Testo 350型煙氣分析儀用于檢測煙氣中CO2，CO的體積分?jǐn)?shù)；Testo 480型壓力計(jì)可實(shí)時檢測丙烷進(jìn)氣壓力變化；氣相色譜儀用于測定燃?xì)饨M分；濕式流量計(jì)用于測量燃?xì)饬髁?

圖3 燃?xì)飧梢聶C(jī)CO排放測試系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic chart of CO emission system of gas dryer

2.2 實(shí)驗(yàn)工況

由于市場上液化石油氣(LPG)仍是普及性最廣的氣源，其主要?dú)怏w成分為丙烷，為減小實(shí)驗(yàn)測量誤差，實(shí)驗(yàn)使用純度為99.9%的工業(yè)丙烷作為燃料氣源，丙烷低熱值為93.18 MJ·m-3.在不同燃?xì)饬髁亢蛽醐h(huán)高度條件下，檢測火焰尾部的CO和CO2體積比，包括4種不同燃?xì)饬髁抗r(工況1a～4a)，該組測試對應(yīng)的擋環(huán)高度為3 mm，測試過程中通過控制噴嘴前的壓力進(jìn)行燃?xì)饬髁康恼{(diào)節(jié).不同燃?xì)饬髁抗r的參數(shù)設(shè)置,如表1所示.表1中：qgas為燃?xì)饬髁?；P為功率；pin為對應(yīng)進(jìn)氣壓力.

表1 不同燃?xì)饬髁抗r的參數(shù)設(shè)置Tab.1 Parameter setting for different gas flow conditions

在燃?xì)饬髁繛?.207，0.245 m3·h-1條件下，分別對擋環(huán)高度為3,11,16 mm的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和模擬研究，對應(yīng)編號分別為工況1b～6b.由于燃燒器頭部安裝有點(diǎn)火針、點(diǎn)火針支架和燃燒器支架等結(jié)構(gòu)，當(dāng)擋環(huán)高度繼續(xù)增加時，擋環(huán)與這部分結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生干涉，影響正常運(yùn)行.因此，采用模擬方法對擋環(huán)高度為20，25 mm的工況7b，8b進(jìn)行分析.不同擋環(huán)高度工況的參數(shù)設(shè)置，如表2所示.表2中：h為擋環(huán)高度.

表2 不同擋環(huán)高度工況的參數(shù)設(shè)置Tab.2 Parameter setting for different retaining ring heights conditions

為了保證燃?xì)飧梢聶C(jī)烘干過程的正常運(yùn)行，進(jìn)入滾筒內(nèi)的煙氣溫度需要控制在一定范圍內(nèi)；燃燒后的煙氣在火焰筒內(nèi)混入二次空氣，通過二次空氣的量調(diào)整進(jìn)入滾筒內(nèi)的煙氣溫度，設(shè)計(jì)條件下的總過量空氣系數(shù)在30左右.由于尾部煙氣中的CO體積分?jǐn)?shù)一般小于1.0×10-4%，很難用儀器直接測量煙氣的組分.因此,CO體積比的測量參考了燃?xì)飧梢聶C(jī)測量標(biāo)準(zhǔn)ANSI Z21.5.1-2015 CSA 7.1-2015中推薦的測量方法，在燃燒器火焰尾部燃盡區(qū)取點(diǎn)測量CO和CO2的體積比，該點(diǎn)要求CO2的體積分?jǐn)?shù)在1%～2%內(nèi).CO體積比的折算公式為

上式中：數(shù)值13.8為上述測量標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的丙烷燃燒煙氣的CO折算系數(shù)；φ(CO)AF為煙氣中CO的折算體積比，cm3·m-3；φ(CO)m為煙氣中CO的實(shí)測體積比，cm3·m-3；φ(CO2)m為煙氣中CO2的實(shí)測體積分?jǐn)?shù)，%.

3 數(shù)值模擬

3.1 物理模型

圖4 計(jì)算區(qū)域物理模型Fig.4 Physical model of computational area

通過數(shù)值計(jì)算建立計(jì)算區(qū)域物理模型，如圖4所示.燃燒器外部圓筒為圓臺結(jié)構(gòu)的火焰筒，最大直徑為148 mm，長度為387 mm.火焰筒前部為二次空氣進(jìn)口，后部為高溫燃燒煙氣出口.由于重點(diǎn)關(guān)注燃燒器區(qū)域的燃燒狀況，因此，對火焰筒外部區(qū)域和尾部煙道未建模.

為了探究不同擋環(huán)高度對CO排放的影響，建立擋環(huán)高度分別為3，11，16 mm的旋流燃燒器模型.不同擋環(huán)高度的旋流燃燒器局部模型圖，如圖5所示.

(a) h=3 mm (b) h=11 mm (c) h=16 mm 圖5 不同擋環(huán)高度的旋流燃燒器局部模型圖Fig.5 Local model diagram of vortex burner with different retaining ring heights

圖6 擋環(huán)高度為3 mm的燃燒器頭部非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格Fig.6 Unstructured mesh for burner head at 3 mm retaining ring height

網(wǎng)格劃分的質(zhì)量和數(shù)量將直接影響數(shù)值模擬的結(jié)果，該模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、燃燒器圓孔較多，不適合劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，因此,在保證網(wǎng)格質(zhì)量下,將模型進(jìn)行四面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格劃分時,在燃燒器頭部火孔、燃?xì)膺M(jìn)氣口附近進(jìn)行網(wǎng)格加密處理.擋環(huán)高度為3 mm的燃燒器頭部非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，如圖6所示.

3.2 數(shù)學(xué)模型

商業(yè)軟件ANSYS FLUENT可以模擬燃燒反應(yīng)中的組分以及流場的變化[15-16],采用Species transport模擬燃?xì)馊紵^程中的化學(xué)反應(yīng)及組分運(yùn)輸.為了研究CO生成的過程，采用耗散概念(eddy dissipation concept,EDC)湍流化學(xué)模型，該模型可以模擬詳細(xì)的多步化學(xué)反應(yīng).丙烷燃燒的化學(xué)反應(yīng),如表3所示.表3中：A為指前因子；E為活化能.

湍流模型采用Realizablek-ε模型，該湍流模型可以較好地模擬旋轉(zhuǎn)流動、圓柱射流現(xiàn)象[17-18]；輻射采用離散坐標(biāo)(DO)模型；速度壓力耦合采用SIMPLE算法，壓力修正方程及其他差分離散格式為二階迎風(fēng)格式.

表3 丙烷燃燒的化學(xué)反應(yīng)Tab.3 Chemical reactions of propane combustion

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

4.1 不同燃?xì)饬髁繉O排放的影響

當(dāng)燃燒器擋板高度為3 mm時，在不同燃?xì)饬髁?燃燒器功率)的條件下(工況1a～4a)，考察實(shí)測和模擬所得火焰筒尾部煙氣CO的體積比.不同燃?xì)饬髁繉O實(shí)測與模擬結(jié)果的影響，如圖7所示.圖7中：φ(CO)AF，φ(CO)s分別為CO折算體積比的實(shí)驗(yàn)值和模擬值.

由圖7可知：實(shí)測和模擬所得CO的體積比都隨燃?xì)饬髁康脑黾佣黾?，?dāng)燃?xì)饬髁坑?.189 m3·h-1增加至0.245 m3·h-1時，尾部煙氣CO實(shí)測折算體積比由308 cm3·m-3增加至351 cm3·m-3.這是由于燃?xì)饬髁颗c噴嘴前壓力成正相關(guān)，因此，燃?xì)饬髁侩S著燃?xì)鈮毫υ龃蠖黾?當(dāng)噴嘴直徑一定時，通過調(diào)節(jié)噴嘴前丙烷壓力、增加丙烷流量，使反應(yīng)物丙烷濃度上升，導(dǎo)致局部氧含量相對下降，增加了丙烷燃燒的不完全性，從而使煙氣中CO的體積比增加.CO體積比的模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果變化趨勢相符，體現(xiàn)了模擬能對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行良好預(yù)測.

燃?xì)饬髁康淖兓瘜⒂绊懸淦鞯囊淮慰諝庀禂?shù)，故將旋流燃燒器在燃?xì)饬髁糠謩e為0.189，0.207，0.226，0.245 m3·h-1的4個工況1a～4a下，進(jìn)行計(jì)算流體動力學(xué)(CFD)模擬；然后，統(tǒng)計(jì)燃燒器火孔出口處丙烷(C3H8)與氧氣(O2)的體積分?jǐn)?shù)，計(jì)算一次空氣系數(shù).不同燃?xì)饬髁繉θ紵饕淮慰諝庀禂?shù)的影響，如圖8所示.圖8中：η為體積分?jǐn)?shù)；λ為一次空氣系數(shù).

圖7 不同燃?xì)饬髁繉O實(shí)測與模擬結(jié)果的影響 圖8 不同燃?xì)饬髁繉θ紵饕淮慰諝庀禂?shù)的影響Fig.7 Influence of different gas flow rates on Fig.8 Influence of different gas flow rates measured and simulated CO concentration on primary air coefficient of burner

(a) 工況1a (b) 工況2a (c) 工況3a (d) 工況4a圖9 不同燃?xì)饬髁肯翪O生成反應(yīng)速率分布圖Fig.9 Distribution chart of CO formation reaction rate under different gas flow rates

由圖8可知：隨著燃燒器燃?xì)饬髁康脑黾?，其一次空氣系?shù)隨之減小；當(dāng)燃燒器燃?xì)饬髁繛?.189 m3·h-1時，一次空氣系數(shù)為0.75，當(dāng)燃?xì)饬髁吭黾拥?.245 m3·h-1時，一次空氣系數(shù)為0.59；在燃燒器燃?xì)饬髁吭龃筮^程中，C3H8的體積分?jǐn)?shù)不斷增加，但是O2的體積分?jǐn)?shù)有微弱減小.這是由于一次空氣系數(shù)與引射器結(jié)構(gòu)、火孔結(jié)構(gòu)、燃?xì)饬髁坑嘘P(guān)，雖然燃?xì)饬髁康脑黾邮挂淦饕淠芰υ鰪?qiáng)，但受限于引射器結(jié)構(gòu)的影響，引射器不能成比例地吸入足夠多的一次空氣.因此，混合氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)不斷下降，一次空氣系數(shù)隨著燃?xì)饬髁吭黾佣鴾p小.

CFD數(shù)值模擬的不同燃?xì)饬髁肯翪O生成反應(yīng)速率分布圖,如圖9所示.圖9中：υ(CO)為CO生成反應(yīng)速率.由圖8,9可知：燃?xì)饬髁康脑黾訉?dǎo)致一次空氣系數(shù)減少，燃?xì)馀c空氣混合程度降低，火焰增長反應(yīng)區(qū)域變大；CO生成反應(yīng)主要集中在燃燒頭側(cè)面火孔和燃燒頭前端，在低燃?xì)饬髁抗r1a下，CO反應(yīng)生成區(qū)域明顯小于高燃?xì)饬髁抗r4a，因此，反應(yīng)生成的CO體積分?jǐn)?shù)更低.

圖10 不同擋環(huán)高度對CO實(shí)測折算體積比的影響Fig.10 Influence of different heights of retaining ring on measured converted CO concentration

4.2 不同擋環(huán)高度對CO排放影響

當(dāng)燃?xì)饬髁繛?.207，0.245 m3·h-1時，在不同的擋環(huán)高度條件下，火焰筒尾部煙氣CO的實(shí)測折算體積比，如圖10所示.由圖10可知：在兩組燃?xì)饬髁織l件下，火焰筒尾部煙氣的CO實(shí)測折算體積比均隨著擋環(huán)高度的增加而降低；在低燃?xì)饬髁?0.207 m3·h-1)的工況下，擋板高度的增加對降低CO實(shí)測折算體積比的作用更明顯.

不同擋環(huán)高度下，CO折算體積比實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對比，如表4所示.由表4可知：CO折算體積比的實(shí)驗(yàn)值和模擬值都隨著擋環(huán)高度的增加而下降，變化趨勢相符.因此，引射器和燃燒器頭部之間的擋環(huán)結(jié)構(gòu)對CO排放具有重要影響.

表4 不同擋環(huán)高度CO折算體積比實(shí)驗(yàn)值與模擬值的對比Tab.4 Comparison of measured and simulated values of converted volume concentration of CO at different retaining ring heights

通過觀察氣體流場及溫度場的模擬結(jié)果，分析不同擋環(huán)高度對CO排放的影響.當(dāng)燃?xì)饬髁繛?.245 m3·h-1，擋環(huán)高度分別為3,11,16 mm時，燃燒器火焰筒內(nèi)軸截面的速度矢量圖,如圖11所示.圖11中：v為燃燒筒內(nèi)氣流速度.

由圖11可知:燃燒器頭部使用旋流擋片,以及在引射器和燃燒頭之間設(shè)置擋環(huán)，都將影響燃燒頭周圍的二次空氣流場.由于燃燒器頭部頂面的旋流擋片，原本軸向噴射出的氣體部分軸向速度轉(zhuǎn)換為徑向速度，從而增大了煙氣流場的橫截面積.同時，增加擋環(huán)高度后，側(cè)面火孔處(擋環(huán)后方)及燃燒頭前端的二次空氣有明顯回流旋渦現(xiàn)象，回流氣體減緩了二次空氣與丙烷混合氣的流速.因此，提高擋環(huán)高度可以改變二次空氣流場，起到增強(qiáng)燃?xì)?空氣混合,以及延長丙烷燃?xì)夥磻?yīng)時間的作用，有利于CO繼續(xù)氧化為CO2，從而控制CO排放.

(a) 工況4b,h=3 mm (b) 工況5b,h=11 mm (c) 工況6b,h=16 mm圖11 不同擋環(huán)高度下火焰筒內(nèi)軸截面的速度矢量圖Fig.11 Velocity vector diagram of flame tube at different retaining ring heights

(a) 工況4b, (b) 工況5b, (c) 工況6b, h=3 mm h=11 mm h=16 mm圖12 不同擋環(huán)高度下火焰筒內(nèi)溫度分布Fig.12 Temperature distribution in flame tube at different retaining ring heights

不同擋環(huán)高度下火焰筒內(nèi)火焰溫度場分布，如圖12所示.圖12中：T為火焰溫度.

由圖12可知：丙烷燃燒產(chǎn)生的高溫火焰集中在燃燒器頭部前端，并呈錐形分布；在工況6b下，燃燒產(chǎn)生的火焰溫度大多為2 000～2 200 K，且火焰集中橫截面積較大；而在工況4b下，燃燒的火焰溫度大多為1 200～1 900 K，明顯低于工況6b，其火焰呈狹長分布且橫截面積變小.這是因?yàn)閺膫?cè)面火孔噴射出的丙烷燃?xì)馀c二次空氣來流方向呈90°垂直角，二次空氣將大部分丙烷燃?xì)獯迪蛉紵髑岸嗽侔l(fā)生燃燒反應(yīng)，同時對火焰冷卻效果增強(qiáng).

結(jié)合圖11流場速度矢量圖，由于有16 mm的擋環(huán)作用，側(cè)面火孔周圍有回流空氣，這部分回流空氣將給側(cè)面火孔噴出的丙烷提供燃燒所需的氧氣.因此，使用擋環(huán)可以起到穩(wěn)焰和提高火焰溫度的作用.

為了繼續(xù)研究擋環(huán)高度對CO生成的影響，增加擋環(huán)高度至20 mm(工況7b)和25 mm(工況8b).不同擋環(huán)高度下CO的生成反應(yīng)速率分布,如圖13所示.

由圖13可知：側(cè)面火孔處有大量CO生成，這是由于大量的二次空氣對火焰的冷卻作用導(dǎo)致丙烷燃料燃燒不充分.

結(jié)合圖11,12可知，增加擋環(huán)高度使二次空氣從擋環(huán)周圍繞流，且有部分二次空氣回流.因此，在保證丙烷燃燒所需氧氣的同時，減少了二次空氣對側(cè)面火孔處火焰的冷卻作用.在工況4b～8b下，CO體積比的模擬值分別為1 169，1 013，903，585，638 cm3·m-3.因此，當(dāng)燃燒器的擋環(huán)高度設(shè)計(jì)在16～25 mm之間，即擋環(huán)高度為20 mm時，CO的減排效果最優(yōu).

(a) 工況4b, (b) 工況5b, (c) 工況6b, (d) 工況7b, (e) 工況8b, h=3 mm h=11 mm h=16 mm h=20 mm h=25 mm圖13 不同擋環(huán)高度下CO的生成反應(yīng)速率分布Fig.13 Distribution of CO formation reaction rate at different retaining ring heights

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)一款適用于燃?xì)飧梢聶C(jī)的半預(yù)混旋流燃燒器.通過實(shí)驗(yàn)測量,探究燃?xì)饬髁亢蛽醐h(huán)高度對燃燒器CO排放的影響，同時,采用CFD模擬方法對實(shí)驗(yàn)工況進(jìn)行仿真分析，得到以下2點(diǎn)主要結(jié)論.

1) 燃燒器燃?xì)饬髁渴怯绊慍O排放的重要因素之一.本實(shí)驗(yàn)工況范圍內(nèi)，當(dāng)擋環(huán)高度為3 mm時，通過數(shù)值模擬結(jié)果分析,得到丙烷燃燒中一次空氣系數(shù)及CO生成反應(yīng)速率的變化規(guī)律.燃燒器燃?xì)饬髁坑?.189 m3·h-1增加至0.245 m3·h-1，一次空氣系數(shù)由0.75減少至0.59，CO生成反應(yīng)區(qū)域變大，尾部煙氣的CO實(shí)測折算體積比由308 cm3·m-3增加至351 cm3·m-3.

2) 燃燒器的頭部擋環(huán)結(jié)構(gòu)對降低CO排放具有重要作用.使用擋環(huán)后，二次空氣在燃燒器頭部周圍的回流增強(qiáng)，減緩了二次空氣與丙烷混合氣的流速，從而加強(qiáng)燃?xì)馀c空氣的混合程度.當(dāng)燃?xì)饬髁繛?.207 m3·h-1，擋環(huán)高度分別為3，11，16 mm時，尾部煙氣的CO實(shí)測折算體積比分別為319，242，199 cm3·m-3.因此，提高擋環(huán)高度對CO的減排效果明顯.通過進(jìn)一步模擬分析可知，當(dāng)擋環(huán)高度為20 mm時，CO的排放量最低.