金晶，許林云，張愛琪，武玉柱，張海鋒

(南京林業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院,南京林業(yè)大學(xué)林業(yè)資源高效加工利用協(xié)同創(chuàng)新中心,南京 210037)

近年來設(shè)施園藝迅猛發(fā)展，這種模式能快速提高作物單位面積產(chǎn)值，增加農(nóng)民收益。但由于復(fù)種指數(shù)高，導(dǎo)致土壤環(huán)境惡化，土傳病蟲害頻發(fā)，常引起連作障礙[1-2]。設(shè)施土壤消毒是防治病蟲害、解決連作障礙的有效手段。設(shè)施園藝主要以種植食用蔬菜為主，最安全的消毒方法采用物理消毒法中的蒸汽消毒法[3-5]。脈動(dòng)燃燒技術(shù)具有傳熱效率高、燃燒器體積小、污染物排放低、燃燒強(qiáng)度大等特點(diǎn)[6-8]，同時(shí)設(shè)施園藝受空間范圍限制，現(xiàn)有土壤消毒裝置存在設(shè)備體積大、傳熱效率低、污染物排放高等問題。為此，筆者擬將脈動(dòng)燃燒技術(shù)與土壤蒸汽消毒技術(shù)相結(jié)合，研制出一種適用于土壤蒸汽消毒機(jī)的新型脈動(dòng)燃燒器。

國內(nèi)外學(xué)者針對脈動(dòng)燃燒器的傳熱特性進(jìn)行了大量研究。Thyageswaran[9]利用多維模型模擬Helmholtz型脈動(dòng)燃燒器直尾管的湍流流動(dòng)，發(fā)現(xiàn)該流動(dòng)是復(fù)雜的周期性往復(fù)流動(dòng)，并介紹了兩種常見的近壁湍流模型計(jì)算壁面?zhèn)鳠岱矫娴男阅芎途窒扌?。Jin等[10]研究驗(yàn)證了脈動(dòng)流攪動(dòng)對傳熱的增強(qiáng)效果，研究發(fā)現(xiàn)脈動(dòng)流對傳熱起到強(qiáng)化作用，隨著雷諾數(shù)的增大，傳熱強(qiáng)化比下降，存在最大強(qiáng)換熱比的最佳脈動(dòng)頻率。Zbicinski[11]對應(yīng)用于干燥的脈動(dòng)燃燒器進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，得出脈動(dòng)流對干燥過程的強(qiáng)度比傳統(tǒng)噴霧干燥高0.25～3倍。李保國等[12-13]研究了Helmholtz型脈動(dòng)燃燒器直尾管傳熱特性，發(fā)現(xiàn)隨著熱負(fù)荷與脈動(dòng)頻率的增大，尾管傳熱系數(shù)增大且脈動(dòng)燃燒器產(chǎn)生的脈動(dòng)尾氣流的傳熱系數(shù)是相應(yīng)雷諾數(shù)非脈動(dòng)流傳熱系數(shù)的2.3～3.5倍。翟明等[14]對Helmholtz型脈動(dòng)燃燒器直尾管建立了去耦室壓力控制系統(tǒng)，試驗(yàn)研究了去耦室壓力變化對脈動(dòng)燃燒器尾管傳熱的影響。研究發(fā)現(xiàn)隨著壓力振幅增加，煙氣側(cè)傳熱系數(shù)增大，且脈動(dòng)流的傳熱系數(shù)是相同雷諾數(shù)下穩(wěn)定流傳熱系數(shù)的2～5倍。徐艷英等[15-17]研究了彎尾管Helmholtz型脈動(dòng)燃燒器的傳熱特性，發(fā)現(xiàn)相同頻率下脈動(dòng)流傳熱系數(shù)約為相同雷諾數(shù)下穩(wěn)態(tài)流傳熱系數(shù)的2.4～4.6倍；在相同壓力振幅下，脈動(dòng)流傳熱系數(shù)約為相同雷諾數(shù)下穩(wěn)態(tài)流傳熱系數(shù)的 3.3～4.7倍。

目前，針對脈動(dòng)燃燒器傳熱特性的試驗(yàn)研究中，國內(nèi)外學(xué)者大多只對外側(cè)布置有水套的尾管進(jìn)行傳熱試驗(yàn)，燃燒室仍裸露在空氣中，試驗(yàn)研究的是燃燒器局部的傳熱特性。脈動(dòng)燃燒器應(yīng)用到干燥加熱、土壤消毒等領(lǐng)域時(shí)，應(yīng)最大化地利用熱量，因此燃燒器必須全部浸入水中，且全浸入式脈動(dòng)燃燒器的工作特性與裸露在空氣中的燃燒器的工作特性區(qū)別顯著，只研究尾管局部的傳熱特性不能代表燃燒器整體的傳熱特性。筆者根據(jù)以往研究初步確定脈動(dòng)燃燒器傳熱的影響因素為油耗、尾管形式和去耦室，基于30 kW的單個(gè)脈動(dòng)燃燒器進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，確定了3種直尾管數(shù)量分別為單管、雙管和三管，設(shè)計(jì)了一種全浸入式脈動(dòng)燃燒器傳熱特性試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)過程中將燃燒器整體埋入水中、充分利用脈動(dòng)燃燒器的熱量，研究不同條件下直尾管數(shù)量對燃燒器油耗、傳熱系數(shù)、蒸汽量、熱效率的影響，確定適用于土壤蒸汽消毒機(jī)的新型脈動(dòng)燃燒器的最佳參數(shù)，具有體積小、傳熱效率高、蒸汽產(chǎn)量大等性能特點(diǎn)。

1 雙化油器脈動(dòng)燃燒器總體結(jié)構(gòu)方案

1.1 基于指標(biāo)要求的結(jié)構(gòu)方案分析

根據(jù)土壤蒸汽消毒機(jī)總蒸汽量需求為100～150 kg/h，假設(shè)蒸汽量按120 kg/h計(jì)算，則最小需要吸收78 kW·h熱量，以脈動(dòng)燃燒器的換熱效率100%計(jì)算，脈動(dòng)燃燒器的最小總功率為78 kW。根據(jù)工業(yè)蒸汽鍋爐的熱效率65%，則脈動(dòng)燃燒器最小總功率為120 kW。按目前成熟應(yīng)用于脈沖煙霧機(jī)上的單個(gè)脈沖發(fā)動(dòng)機(jī)即脈動(dòng)燃燒器功率為13.9～16.7 kW，則至少需布置8組脈動(dòng)燃燒器才能滿總蒸汽量要求，這樣必然會(huì)造成蒸汽發(fā)生裝置體積過大、結(jié)構(gòu)不緊湊等問題，且會(huì)降低系統(tǒng)可靠性。

本課題需設(shè)計(jì)適用于土壤蒸汽消毒機(jī)的新型脈動(dòng)燃燒器，由于任何脈動(dòng)燃燒器，只有在其結(jié)構(gòu)參數(shù)所構(gòu)成的聲學(xué)條件與燃油空氣混合形成的可燃混合氣燃燒時(shí)所構(gòu)成的加熱條件，產(chǎn)生耦合效應(yīng)，才能形成自激自吸脈動(dòng)燃燒振蕩工作。基于過去大量的研究經(jīng)驗(yàn)，化油器是影響加熱條件的最關(guān)鍵裝置，因此本課題不另設(shè)計(jì)新型化油器，將應(yīng)用于脈沖煙霧機(jī)的成熟化油器直接應(yīng)用于本課題所研究的新型脈動(dòng)燃燒器上，并根據(jù)功率大小匹配多個(gè)化油器并聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)。

如果按總功率120 kW設(shè)計(jì)單個(gè)脈動(dòng)燃燒器，必然使總體積非常龐大，即具有相當(dāng)大的燃燒室和相當(dāng)長的噴管才可行，顯然這與擬研制體積小適用于設(shè)施園藝的土壤蒸汽消毒機(jī)不相符合。本課題將單個(gè)脈動(dòng)燃燒器功率設(shè)定為30 kW，采用4個(gè)脈動(dòng)燃燒器并聯(lián)工作的方法，滿足土壤蒸汽消毒機(jī)總蒸汽量需求；因此，本試驗(yàn)只需研究單個(gè)脈動(dòng)燃燒器具有最佳的傳熱特性，即可優(yōu)化設(shè)計(jì)整個(gè)蒸汽發(fā)生裝置。

1.2 脈動(dòng)燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸確定

脈動(dòng)燃燒器主要由燃燒室與尾管組成，燃燒室大小決定脈動(dòng)燃燒器功率，根據(jù)功率要求可確定一定值的燃燒室體積；因此影響傳熱特性的關(guān)鍵部位為尾管，同時(shí)脈動(dòng)燃燒器均需連接去耦室，以達(dá)到降低噪聲的目的。

1)燃燒室體積。單個(gè)脈動(dòng)燃燒器功率為30 kW，根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)燃燒室容積熱強(qiáng)度為23 000 kW/m3，則燃燒室容積應(yīng)滿足下式：

式中：qr為燃燒室容積熱強(qiáng)度，kW/m3；Pr為脈動(dòng)燃燒器功率，kW；Vr為燃燒室容積，m3；計(jì)算得Vr=1.364×10-3m3。

燃燒室長徑比一般可取2∶1，即Lr=2Dr，計(jì)算得燃燒室內(nèi)徑Dr=9.399×10-5m。

對燃燒室內(nèi)徑、長度進(jìn)行圓整，取Dr=95 mm、Lr=190 mm。

2)尾管。通過初步試驗(yàn)研究，匹配以上計(jì)算確定的燃燒室體積的單尾管直徑D38 mm為宜，且因噴管長度低于600 mm無法啟動(dòng)，因此確定本試驗(yàn)的尾管長度為800 mm。眾所周知，傳熱效率及傳熱功率與傳熱表面積存在較強(qiáng)的相關(guān)性。本試驗(yàn)基于尾管總流通面積相同的條件下，設(shè)置單管、雙管和三管(圖1)作為試驗(yàn)因素，具體尺寸參數(shù)列于表1中。同時(shí)將有無去耦室作為另一試驗(yàn)因素進(jìn)行比較研究。

圖1 尾管結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Tailpipe structure diagram

表1 尾管尺寸參數(shù)Table 1 Tailpipe size parameters

1.3 單個(gè)脈動(dòng)燃燒器結(jié)構(gòu)與工作原理

單個(gè)脈動(dòng)燃燒器的結(jié)構(gòu)與組成如圖2所示。由圖2可見，總體結(jié)構(gòu)主要包括燃燒室、尾管、去耦室、化油器、火花塞、打氣筒等部分，基于功率計(jì)算確定采用2個(gè)化油器(8)，分別位于燃燒室左右兩側(cè)。尾管(5)可通過法蘭(10)與(11)更換形成單管、雙管或三管的脈動(dòng)燃燒器。

1.油箱 2.高壓發(fā)生器 3.火花塞 4.燃燒室 5.尾管 6.去耦室 7.打氣筒 8.化油器 9.前室 10.尾管上法蘭11.尾管下法蘭。圖2 脈動(dòng)燃燒器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of pulse combustor

脈動(dòng)燃燒器啟動(dòng)時(shí)，首先通過高壓發(fā)生器(2)給火花塞(3)通電產(chǎn)生電火花，手動(dòng)操作打氣筒(7)向化油器(8)內(nèi)部輸送空氣，右側(cè)化油器一側(cè)的前室(9)上有火花塞，則該化油器為啟動(dòng)化油器，另一側(cè)為從動(dòng)化油器，氣流經(jīng)過化油器與油箱(1)內(nèi)輸送的汽油混合形成可燃混合氣，流經(jīng)前室(9)被火花塞點(diǎn)火進(jìn)入燃燒室(4)迅速燃燒，燃燒后的高溫?zé)煔馔ㄟ^尾管(5)及去耦室(6)排向大氣中。

2 傳熱特性試驗(yàn)裝置與測試系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)裝置

將圖2所示的脈動(dòng)燃燒器置于水筒體中，構(gòu)成圖3所示的全浸入式脈動(dòng)燃燒器傳熱特性試驗(yàn)裝置。由圖3可見，筒體(8)為組合結(jié)合型式，匹配脈動(dòng)燃燒器的結(jié)構(gòu)型式，且需將2個(gè)化油器置于筒體外，整個(gè)筒體處于從上平板封頭(4)至下平板封頭(9)之間，在上下封頭之間還有兩處法蘭連接處，便于拆卸安裝不同尾管及去耦室。

脈動(dòng)燃燒器(6)完全浸沒在筒體(8)內(nèi)的水中，冷水通過自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)(14)從底部進(jìn)水口(10)泵入，通過浮球液位計(jì)(5)設(shè)定水位，并且維持水位不變，且可從外部通過水位計(jì)(7)觀察水位。脈動(dòng)燃燒器燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔馔ㄟ^尾管和去耦室排出，熱量通過燃燒室、尾管以及去耦室管壁傳遞給冷水，當(dāng)冷水被加熱至沸騰時(shí)產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過蒸汽導(dǎo)管(2)輸出；當(dāng)筒體內(nèi)部壓力超過設(shè)計(jì)壓力時(shí)，多余蒸汽通過安全閥(1)排出，以保證試驗(yàn)裝置的安全，蒸汽溫度與內(nèi)部壓力通過顯示屏(3)顯示，包括溫度計(jì)和壓力表。蒸汽發(fā)生裝置安裝在支架(12)上面，試驗(yàn)結(jié)束后通過排水口(11)排放筒體(8)內(nèi)部剩余的水。水溫、煙氣溫度、油耗、蒸汽量等均通過測試系統(tǒng)(13)測量。

1.安全閥；2.蒸汽導(dǎo)管；3.顯示屏；4.上平板封頭；5.浮球式液位計(jì)；6.脈動(dòng)燃燒器；7.水位計(jì)；8.筒體；9.下平板封頭；10.進(jìn)水口；11.排水口；12.支架；13.測試系統(tǒng)；14.自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)。圖3 傳熱特性試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the structure of the heat transfer characteristic test device

2.2 測試系統(tǒng)

為了研究不同油門開度、尾管數(shù)量以及有無去耦室與脈動(dòng)燃燒器油耗、傳熱系數(shù)、蒸汽量以及熱效率之間的關(guān)系，需要進(jìn)行油耗、水溫、煙氣溫度、蒸汽量以及燃燒室壓力測試，具體測試系統(tǒng)的裝置組成及測試方法如下。

1)油耗測試系統(tǒng)：油耗采用50 mL滴定管、2位3通閥和秒表測定。測量方法為：在脈動(dòng)燃燒器穩(wěn)定運(yùn)行的某一時(shí)刻同時(shí)按下秒表和2位3通閥換向開關(guān)，使得脈動(dòng)燃燒器由油箱供油快速轉(zhuǎn)為滴定管供油，30 s后切換回油箱供油，并記錄消耗油量。

2)油門開度設(shè)定：測試中，油門開度調(diào)節(jié)是由化油器的針頭與油孔組合確定(如圖4)，通過手動(dòng)旋轉(zhuǎn)油門開度調(diào)節(jié)盤，使油針上螺紋桿沿化油器上下移動(dòng)，從而調(diào)節(jié)針頭與油孔之間的通過間隙，即調(diào)節(jié)出油量。油門開度調(diào)節(jié)盤旋轉(zhuǎn)角度可調(diào)范圍為(0°～540°)，兩個(gè)化油器油門開度組合一起，分別設(shè)定為180°&270°(前者180°為右側(cè)化油器開度，后者270°為左側(cè)化油器開度)、270°&270°、270°&360°、360°&360°、360°&450°、450°&450°、450°&540°、540°&540°，其中180°&270°為最小啟動(dòng)油門，自制化油器開度指示盤如圖5所示。

圖4 油門開度調(diào)節(jié)原理圖Fig.4 Throttle opening adjusting picture

圖5 化油器開度指示盤Fig.5 Carburetor opening indicator plate

3)水溫測試系統(tǒng)：水溫采用TM902C型測溫儀測量，測溫探頭為四氟材料包裹的線型探頭，可沒入水中，測量溫度為-199.9～199.9 ℃，精度0.1 ℃。水溫測點(diǎn)為圖6所示的水中6個(gè)測點(diǎn)，將6組測溫儀的線型探頭穿過不銹鋼細(xì)管至測點(diǎn)處，其中測點(diǎn)1為處于最高處燃燒室頂部以上部位，此處開有出水口，即反映出水溫度，測點(diǎn)2可反映燃燒室處水溫，測點(diǎn)3、4可反映尾管處水溫，測點(diǎn)5可反映去耦室處水溫，測點(diǎn)6所則可反映初始水溫。測試過程中冷水持續(xù)從底部泵入，從上端出水口流出，形成逆流換熱。

4)煙氣溫度測試系統(tǒng)：煙氣溫度是指脈動(dòng)燃燒器內(nèi)部及其出口處煙氣的溫度，通過測量進(jìn)出口煙氣溫度，可得到對應(yīng)溫度下的煙氣焓值，進(jìn)而計(jì)算出脈動(dòng)燃燒器的熱量。煙氣溫度測點(diǎn)3個(gè)，對應(yīng)圖6中測點(diǎn)7，8，9，均采用K型熱電偶測溫探頭測試，包括1.5 m長探頭1個(gè)，測量范圍為0～1 300 ℃，0.5 m長探頭2個(gè)，測量范圍為0～900 ℃，精度均為0.1 ℃。其中，測點(diǎn)7為燃燒室內(nèi)中心位置處，通過焊接1個(gè)從燃燒室延伸至筒體外的不銹鋼管，以方便熱電偶插入測量燃燒室內(nèi)溫度。測點(diǎn)8與9為尾管末端點(diǎn)與排煙氣口，分別將熱電耦探頭由煙氣出口伸入至對應(yīng)測點(diǎn)位置進(jìn)行測量。

圖6 水溫、煙氣溫度測點(diǎn)位置Fig.6 Test positions of waterand smoke temperatures

5)蒸汽量測試系統(tǒng)：蒸汽量測量所用儀器為電子計(jì)重稱、50 L容積的塑料水桶，電子計(jì)稱量質(zhì)量精度0.001 kg，量程100 kg。具體測試方法為：筒體內(nèi)部水位通過自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)始終保持在設(shè)定水位，在蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生大量蒸汽后，關(guān)閉自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)，經(jīng)過10 min后再關(guān)閉蒸汽發(fā)生裝置，此時(shí)打開自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)，水泵從50 L塑料水桶向筒體補(bǔ)水，待水位到達(dá)設(shè)定水位，則補(bǔ)水結(jié)束，此時(shí)測量水桶的質(zhì)量差即可得到10 min內(nèi)蒸汽發(fā)生裝置產(chǎn)生的蒸汽量，并由此計(jì)算出蒸汽發(fā)生裝置每小時(shí)產(chǎn)生的蒸汽量。

6)燃燒室壓力測試系統(tǒng)：脈動(dòng)燃燒器的燃燒室壓力采用PCM300擴(kuò)散硅耐高溫壓力變送器(南京沃天科技有限公司)測量，量程為-100～100 kPa，響應(yīng)時(shí)間≤1 ms，使用介質(zhì)溫度0～200 ℃。因燃燒室內(nèi)燃燒時(shí)溫度高達(dá)1 000 ℃以上，壓力傳感器無法直接測量，因此采用半無限管方式，即采用一定長度的金屬管焊接至燃燒室上，金屬管另一端連接壓力傳感器。這樣既可避免高溫?zé)煔鈱鞲衅鞯膿p壞，又可準(zhǔn)確傳遞燃燒室壓力，同時(shí)還可避免諧振效應(yīng)的出現(xiàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 油 耗

2個(gè)化油器不同油門開度組合及不同尾管數(shù)量構(gòu)成的脈動(dòng)燃燒器對應(yīng)的油耗變化關(guān)系見圖7。各脈動(dòng)燃燒器無論在哪種條件下，油耗均隨油門開度增大而增加，在180°&270°至450°&450°區(qū)間增幅較大，在450°&450°至540°&540°區(qū)間增幅平緩。單管油耗明顯大于雙管與三管，且與雙管之間呈現(xiàn)相似的曲線變化趨勢關(guān)系，即各油門開度下的油耗差值基本一致，平均相差0.06 kg/h。三管油耗在低油門開度時(shí)較明顯低于雙管油耗，但在油門開度高于360°&450°時(shí)，油耗基本接近三管，至最大油門開度時(shí)完全一致。連接去耦室后，油耗曲線與無去耦室曲線變化趨勢基本一致，只不過油耗量略低一點(diǎn)，平均油耗減少0.016 kg/h。但通過測量筒體外噪聲，增加去耦室后，噪聲降低了20～30 dB，說明去耦室可有效降低脈動(dòng)燃燒器噪聲，同時(shí)還可減少一定量的油耗。

圖7 不同油門開度和不同尾管數(shù)量的油耗Fig.7 Fuel consumption with different throttle openings and different number of tail pipes

油門開度過低，脈動(dòng)燃燒器總熱值或總熱功率過低，研究與傳熱相關(guān)的各項(xiàng)參數(shù)意義不大。因此以下試驗(yàn)只設(shè)定處于較高油門開度且又存在一定油耗差值的360°&360°、450°&450°、540°&540°這3種油門開度進(jìn)行各試驗(yàn)因素研究。

3.2 脈動(dòng)燃燒器傳熱系數(shù)

3.2.1 無去耦室

1)脈動(dòng)流：在脈動(dòng)燃燒器正常工作情況下，由測試得到的水溫、煙氣溫度、燃燒室壓力等參數(shù)，經(jīng)過一系列的計(jì)算可得到對應(yīng)不同油門開度、尾管數(shù)量的脈動(dòng)燃燒器的總傳熱系數(shù)、水側(cè)傳熱系數(shù)、煙氣側(cè)傳熱系數(shù)、煙氣側(cè)穩(wěn)態(tài)傳熱系數(shù)[18]，如圖8所示。

圖8 傳熱系數(shù)Fig.8 Heat transfer coefficient diagram

總傳熱系數(shù)通過試驗(yàn)測得的燃燒室進(jìn)出口煙氣溫度、理論進(jìn)出口煙氣焓值、油耗、燃燒室進(jìn)出口水溫、傳熱面積等經(jīng)公式計(jì)算得出，是表示換熱設(shè)備性能的重要參數(shù)，其物理意義為通過單位傳熱面積所傳遞的熱量。水側(cè)傳熱系數(shù)通過各測點(diǎn)水溫、燃燒器尺寸參數(shù)、水密度、動(dòng)力黏度、體積膨脹系數(shù)等各項(xiàng)參數(shù)計(jì)算，可表示脈動(dòng)燃燒器與水介質(zhì)接觸一側(cè)的壁面向水介質(zhì)傳遞熱量的能力，傳熱系數(shù)越大，傳熱能力越強(qiáng)，水流的溫升速率越快。煙氣側(cè)傳熱系數(shù)通過圓柱體熱阻定律計(jì)算，表示脈動(dòng)燃燒器與煙氣接觸一側(cè)的壁面在脈動(dòng)流作用下的傳熱能力。煙氣側(cè)穩(wěn)態(tài)傳熱系數(shù)為假設(shè)煙氣流為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)而不是脈動(dòng)流動(dòng)的情況下，輻射傳熱系數(shù)與對流傳熱系數(shù)之和。常規(guī)鍋爐的傳熱均為穩(wěn)態(tài)傳熱，在相同工況下將脈動(dòng)流的平均流速作為穩(wěn)態(tài)流速，比較穩(wěn)態(tài)傳熱系數(shù)和脈動(dòng)傳熱系數(shù)。

由圖8a可見，無論尾管數(shù)量為單管、雙管或三管不同情況下，均呈現(xiàn)油門開度處于中間開度450°&450° 的總傳熱系數(shù)達(dá)到最大，且呈現(xiàn)出三管>雙管>單管的現(xiàn)象，分別為73.37，76.49，79.30 W/(m2·K)。當(dāng)油門處于最大開度540°&540°時(shí)，總傳熱系數(shù)反而減小，單管的總傳熱系數(shù)下降趨勢最為明顯，減小了8.7%，而雙管、三管的總傳熱系數(shù)分別減小了3.0%和5.5%。隨尾管數(shù)量的增加，相對于單管、雙管和三管傳熱面積分別增加了21.9% 和38.1%，而總傳熱系數(shù)平均增加了6.4%和9.2%，說明傳熱面積對傳熱系數(shù)有明顯影響。

由圖8b可知，無論尾管數(shù)量為單管、雙管或三管不同情況下，同樣在油門開度450°&450°時(shí)水側(cè)傳熱系數(shù)達(dá)到最大值，隨油門開度的變化趨勢與總傳熱系數(shù)并不完全一致，呈現(xiàn)三管>單管>雙管現(xiàn)象，分別為330.36，330.04和330.57 W/(m2·K)，但水側(cè)傳熱系數(shù)差值非常小，幾乎可忽略這三者之間的差值。當(dāng)油門開度處于最大開度540°&540°時(shí)，水側(cè)傳熱系數(shù)與總傳熱系數(shù)出現(xiàn)對應(yīng)的明顯下降趨勢現(xiàn)象，而處于最小油門開度360°&360°時(shí)，其值介于這其余兩個(gè)開度之間；因此，尾管數(shù)量與油門開度對水側(cè)傳熱系數(shù)影響均較小。

圖8c上部3條曲線為煙氣側(cè)傳熱系數(shù)隨油門開度的變化趨勢關(guān)系，與總傳熱系數(shù)變化關(guān)系非常相似，在油門開度處于中間開度450°&450°達(dá)到最大值，分別為98.48，104 和109 W/(m2·K)，而處于最大油門開度540°&540°時(shí)分別減小了10.9%，3.8%和7.0%。隨著尾管數(shù)量的增加，三管的煙氣側(cè)傳熱系數(shù)為單管的1.10～1.15倍。

2)穩(wěn)態(tài)流：將脈動(dòng)燃燒器的脈動(dòng)燃燒假設(shè)為穩(wěn)態(tài)燃燒，計(jì)算所得的穩(wěn)態(tài)流煙氣傳熱系數(shù)為圖8c中下部的3條曲線，穩(wěn)態(tài)傳熱主要依靠輻射換熱與對流換熱進(jìn)行熱量傳遞，雖然同樣呈現(xiàn)與脈動(dòng)流相似的現(xiàn)象，即傳熱系數(shù)為三管>雙管>單管的現(xiàn)象，但穩(wěn)態(tài)流煙氣傳熱系數(shù)均非常低，且受油門開度與尾管數(shù)量的影響變化較小，最大傳熱系數(shù)僅為19.94 W/(m2·K)。在油門開度和尾管數(shù)量相同情況下，煙氣在脈動(dòng)流作用下傳熱系數(shù)為穩(wěn)態(tài)傳熱系數(shù)的5.12～5.66倍，說明脈動(dòng)流可有效減小煙氣近壁層邊界層厚度，增強(qiáng)煙氣的換熱能力，并可很好地匹配脈動(dòng)燃燒器運(yùn)行穩(wěn)定性和增強(qiáng)傳熱性能二者之間的關(guān)系，具有穩(wěn)態(tài)傳熱無可比擬的巨大優(yōu)勢。

3.2.2 有去耦室

高溫高速煙氣由尾管排入去耦室時(shí)，煙氣所處空間急劇擴(kuò)大，煙氣的脈動(dòng)作用迅速衰減，隨著煙氣的繼續(xù)流動(dòng)，脈動(dòng)流煙氣進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)態(tài)流煙氣，這也是去耦室能夠降低排氣噪聲的主要原因之一。因此本研究將去耦室內(nèi)部的煙氣流動(dòng)看作穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，采用穩(wěn)態(tài)流傳熱的計(jì)算方法計(jì)算去耦室煙氣側(cè)傳熱系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 去耦室煙氣側(cè)傳熱系數(shù)Fig.9 Heat transfer coefficient of decoupling chamber in smoke side

由圖9可知，不同油門開度及尾管數(shù)量下，去耦室的傳熱系數(shù)均相近，且集中分布在5.13～6.53 W/(m2·K)區(qū)間，因流入去耦室的煙氣溫度已非常低，因此對應(yīng)的換熱性能較弱，但去耦室不僅能進(jìn)一步利用煙氣熱能，關(guān)鍵還能有效降低排氣噪聲，因此必不可少需增加去耦室。

3.3 蒸汽量

蒸汽量是反映脈動(dòng)燃燒蒸汽發(fā)生裝置的終極性能指標(biāo)。在不同油門開度、尾管數(shù)量的脈動(dòng)燃燒器有無去耦室時(shí)的蒸汽量見表2。無論尾管數(shù)量為單管、雙管或三管情況下，蒸汽量隨油門開度的增加均明顯增大，且呈現(xiàn)三管>雙管>單管，說明增加尾管數(shù)量，即增加傳熱面積可有效提高蒸汽量，最大蒸汽量為18.23 kg/h(三管，540°&540°)，分別比單、雙管提高了24.30%和10.81%。

表2 試驗(yàn)裝置蒸汽量Table 2 Quantity of steam of facility

無去耦室時(shí)，隨著油門開度、尾管數(shù)量的增加，相對于油門開度360°&360°，蒸汽量增幅差值基本一致。油門開度360°&360°至中間油門開度的蒸汽量平均增幅為3.06 kg/h，中間油門開度至最大油門開度的蒸汽量平均增幅為1.55 kg/h。其中3種油門開度所對應(yīng)的平均油耗依次為1.98，2.09和2.13 kg/h，油耗增幅分別為0.11和0.04 kg/h。說明隨油門開度的增加，雖然蒸汽量的增幅減小，但是蒸汽量的增幅與油耗增幅一致，蒸汽量與油耗呈正比關(guān)系，即與油門開度、總傳熱系數(shù)變化趨勢一致。連接去耦室后，不同條件下蒸汽量變化趨勢一致，但蒸汽量整體增大了0.04～0.13 kg/h，說明去耦室使脈動(dòng)燃燒器整體換熱能力進(jìn)一步增強(qiáng)，排煙溫度進(jìn)一步降低。

3.4 熱效率

熱效率是衡量蒸汽發(fā)生裝置性能和運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)之一，表示每小時(shí)輸入系統(tǒng)的燃料全部完全燃燒時(shí)，用來產(chǎn)生蒸汽和加熱水的熱量占總熱量的百分率，熱效率越高表示損失的熱量越少，經(jīng)濟(jì)性越好。對于鍋爐容量小于0.5 t的工業(yè)鍋爐，燃煤熱效率為55%～79%，燃油熱效率為80%～85%，燃?xì)鉄嵝蕿?2%～87%[19]。本課題設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置熱效率如表3所示。

表3 試驗(yàn)裝置熱效率Table 3 Thermal efficiency of facility

無去耦室時(shí)，隨尾管數(shù)量的增加，不同油門開度下，熱效率均呈現(xiàn)三管>雙管>單管，相對于單管，雙管熱效率增加了3.16%～4.22%，三管熱效率增加了7.90%～9.49%，在油門開度處于中間油門開度450°&450°，三管熱效率高達(dá)83.60%，高于燃油鍋爐熱效率。連接去耦室后，試驗(yàn)裝置熱效率增加了3.40%～3.97%，熱效率變化趨勢與無去耦室時(shí)一致。在中間油門開度450°&450°，三管的熱效率高達(dá)87.57%，為單管的1.13倍、雙管的1.08倍，且此時(shí)熱效率高于燃?xì)忮仩t熱效率。

與試驗(yàn)測試結(jié)果比較，測試點(diǎn)只反映了局部，無法全面有效地反映整體現(xiàn)象。經(jīng)綜合分析，三管具有較大的傳熱面積、最低的油耗穩(wěn)定的運(yùn)行特性、緊湊的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)三管不僅傳熱系數(shù)顯著高于其余形式尾管，還可顯著強(qiáng)化脈動(dòng)燃燒器的換熱性能，提高蒸汽發(fā)生裝置的蒸汽量、整體熱效率，顯示出了巨大的優(yōu)勢。因此脈動(dòng)燃燒器的最佳組合形式為：油門開度為450°&450°，尾管數(shù)量為三管，設(shè)置去耦室。

4 結(jié) 論

通過研究不同油門開度、尾管數(shù)量以及有無去耦室對脈動(dòng)燃燒器油耗、傳熱系數(shù)、蒸汽量以及熱效率的影響結(jié)果，可獲得以下結(jié)論：

1)三管具有較大的傳熱面積，相對于單管、雙管具有最低的油耗，且增大傳熱面積可明顯強(qiáng)化脈動(dòng)燃燒器的傳熱性能、提高蒸汽發(fā)生裝置的整體熱效率，其中三管的煙氣側(cè)傳熱系數(shù)為單管的1.10～1.15倍，相同工況下煙氣側(cè)脈動(dòng)流傳熱系數(shù)達(dá)到穩(wěn)態(tài)流的5.12～5.66倍，三管蒸汽量為單管的1.32～1.67倍、熱效率為單管的1.11～1.13倍，且當(dāng)油門開度處于中間油門開度450°&450°脈動(dòng)燃燒器各項(xiàng)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)值；

2)盡管去耦室換熱性能較弱，但去耦室不僅能降低排煙溫度，提高系統(tǒng)熱效率，還能有效降低排氣噪聲、降低油耗量，因此有必要增加去耦室；

3)本課題研究的基于土壤蒸汽消毒的全浸入式脈動(dòng)燃燒器的最佳組合形式為：油門開度為450°&450°、三管和設(shè)置去耦室，為下一步土壤蒸汽消毒機(jī)設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。