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往復式多孔介質生物質燃燒機流動特性的試驗研究
摘要：研究了往復式多孔介質生物質燃燒機在冷態條件下氣流在其中的流動特性規律。在多孔介質的類型和運行溫度不變的情況下，往復式多孔介質生物質燃燒機的壓降與空截面流速的平方成正比，與多孔介質的厚度成正比；燃燒器的穩定時間基本不受多孔介質厚度和空截面流速的影響。建立了計算壓降的簡單數學模型，理論模型的計算結果與實驗數據符合較好。
氣體燃料的燃燒主要是以自由火焰為特征的空間燃燒（或者直流燃燒技術）。以該種燃燒方式燃燒時，火焰面附近的溫度梯度陡而且分布不均，局部高溫區的存在使得大量NO。生成，造成大氣污染；燃燒反應的完成需要較大的空間，要求燃燒設備體積龐大，其應用受到空間限制；配套使用的換熱設備主要以煙氣輻射和對流沖刷進行熱交換，熱效率低；燃燒穩定性比較差，燃燒負荷調節能。
往復式多孔介質燃燒技術(Reciprocating Su-peradiabatic Combustion in Porous Media,以下簡稱RSCP)最早是Hanamura K和EchigoR在1993年提出的H，后來有人稱作多孔介質中往復流動下的超絕熱（超焓火焰）燃燒技術[ 51。這種燃燒技術已經在瑞典成功應用于汽車噴漆車間排氣中有機污染物的燃燒凈化[q。該技術在提高燃燒效率、擴展可燃極限、節約燃料、改善環境以及處理各類垃圾和廢棄物等方面具有其他燃燒技術不可比擬的優越性。
國內在冶金工業爐中應用的高溫低氧燃燒(High Temperature Air Combustion筒稱HTAC)也是把RSCP的原理應用到冶金工業爐中嗍。不過兩者有很大的區別，HATC把多孔介質僅僅作為換熱器來用，燃燒在自由大空間中完成的，而RSCP燃燒則發生在多孔介質里面。在已發表的文獻資料中，國內RSCP技術的研究和應用RSCP的燃燒器開發尚不多見。
往復式多孔介質生物質燃燒機是基于RSCP的新型的生物質燃燒機。本文研究冷氣流在燃燒系統中交替流動時，在不同的實驗條件下系統壓降的變化以及系統的流動穩定狀況，為該燃燒系統的設計和運行提供理論依據。
2往復式多孔介質生物質燃燒機試驗裝置與試驗方法
往復式多孔介質生物質燃燒機結構對稱（圖1），系統主要包括換熱器、多孔介質蓄熱式燃燒室、緩沖箱、電磁閥、預混室、質量流量計、空氣供給系統、燃氣供給系統、控制系統、壓力傳感器和數據采集系統。試驗氣體通過質量流量計進入預混室，首先通過電控閥1進入左側多孔介質蓄熱式燃燒室（電控閥2、3關閉），然后經過換熱器，再進入右側多孔介質蓄熱式燃燒室，經電控閥4排出。該流程完成后，通過可編程控制系統關閉電控閥1、4同時將電控閥2、3打開，這時實驗氣體通過電控閥2進入右側多孔介質蓄熱式燃燒室，然后經過換熱器，再進入左側多孔介質蓄熱式燃燒室，經電控閥3排出。試驗中，上述過程重復進行。
多孔介質燃燒系統中氣體進出是由兩組電控閥（1、4和2、3）來控制。如果在一組同時通電的電控閥1、4(2、3)中，沿氣流方向在后面的電控閥4(3)相對前面的電控閥1(2)打開時間延遲，造成氣體的瞬時堵塞，測點壓力瞬間升高很快。反之，則測點壓力突變就較小。這就要求每組電磁閥必須同步開關，以保證系統氣流流動的穩定性。
試驗是在常溫下進行的，通過質星流量計調節試驗氣體的流量來改變生物質燃燒機的空截面流速，增減燃燒室內泡沫陶瓷片的片數來改變多孔介質的厚度。試驗所用的多孔介質是泡沫陶瓷片（主要成分為Al203），其空隙率為82%～86%。
測點壓力是由壓力傳感器測得的。定義壓力傳感器采集壓力數據頻率的倒數為采樣時間，兩組電磁閥相互切換的間隔時間為周期切換時間。空截面流速甜是試驗氣體通過生物質燃燒機內多孔介質空截面的氣流速度。多孔介質厚度五是燃燒器左右兩側中單側的多孔介質高度。試驗中，兩側的多孔介質厚度相等，設定采樣時間0. 118 s，周期切換時間為5s。
3試驗結果與分析
3.1等空截面流速等厚度的阻力特性
為了研究生物質燃燒機系統的阻力特性，保持通過多孔介質生物質燃燒機內的空截面流速“恒定，在多孔介質厚度矗不變的條件下，對各個測點進行測壓，得到一系列的阻力特性鹽線。典型的試驗結果曲線如圖2所示。
由圖2可以看出，隨著往復式多孔介質燃燒器中的氣流周期性的換向流動，測點壓力也隨著周期性的變仳。在每一個周期內，壓力的突變發生在換向的時候，一開始壓力突然升高，然后迅速下降，直至壓力穩定。在壓力穩定一段時間后，電控閥開始換向，此時測點壓力先迅速下降，然后迅速上升，之后達到穩定。在多次循環換向的過程中，每一個周期的壓力變化曲線是很相近的。
從開始換向到第一次達到流動穩定的間隔時間定義為穩定時間。圖2中的穩定時間為1.5 s。穩定時間是系統運行時候重要參數之一，它是系統達到穩定流動所需的最小時間。它為系統周期換向時間的選擇提供重要的理論數據。
3.2空截面流速對穩定時間的影響
圖3給出了多孔介質厚度五分別保持在90、130和170 mm，不同空截面流速“下的系統穩定時間f的變化情況。可以看出多孔介質厚度在170、130、90 mm時，隨著空截面流速“的增加，穩定時間≠基本不變。可以得知，在生物質燃燒機的幾何參數不變以及多孔介質厚度不變的情況下，空截面流速“對生物質燃燒機系統穩定時間f影響較小。
從圖3中還可以發現，在空截面流速“增大的情況下，穩定時間f稍變大。隨著空截面流速甜增大，氣流在多孔介質內流動的雷諾數增加，從而增加了氣流的紊流趨勢，使得系統內流動趨向穩定的時間增加，從而使得系統的穩定時間略微增加。在上述試驗條件下，穩定時間f基本保持不變（t=1.2 s）。
3.3 多孔介質厚度對穩定時間的影響
影響穩定時間的另一個參數是多孔介質的厚度，因為多孔介質的泡沫結構影響氣流的流動穩定。在空截面流速一定條件下，多孔介質厚度與穩定時間的關系如圖4所示。在三種不同的多孔介質厚度下，穩定時間很接近。由圖4可知，在空截面流速“不變的條件下，隨著多孔介質厚度五的增加，系統的穩定時間f基本保持不變。這說明多孔介質的厚度乃對系統的穩定時間f的影響很小。在空截面流速分別為u -0. 316、0.632、0. 947 m/s時，穩定時間f保持在1.2 s。
3.4 空截面流速、多孔介質厚度對生物質燃燒機進出口壓降的影響
生物質燃燒機的進出口壓降AP是生物質燃燒機設計和運行昀重要理論數據之一。本文研究了空截面流速甜和多孔介質厚度力兩個參數對生物質燃燒機進出口壓降的影響，得到了在多孔介質的厚度矗不變的條件下，空截面流速與生物質燃燒機進出口壓降的規律曲線（圖5），同時得到了多孔介質厚度對生物質燃燒機進出口壓降的影響（圖6）。
由圖5可知，不同的多孔介質厚度五下，進出口壓降AP隨著空截面流速“的變化趨勢基本一致。隨著多孔介質截面流速“的增加，往復式研究與探討多孔介質生物質燃燒機的進出口壓降AP隨著其值大，基本上是二次曲線的形狀。也就是說往復式多孔介質生物質燃燒機的壓降AP與通過多孔介質氣流空截面速度甜的平方基本成正比關系。
圖5空截面流速對生物質燃燒機進出口壓降的影響
由圖6可知，在剛玉管內多孔介質的空截面流速“不變的情況下，隨著多孔介質厚度向的增加，往復式多孔介質生物質燃燒機進出口壓降AP也隨之增大，基本是一次直線的形狀。在不同的空截面流速下，其變化的趨勢也相同。也就是說往復式多孔介質生物質燃燒機的進出口壓降印與多孔介質厚度h成正比關系。在等多孔介質厚度的條件下，壓降隨著空截面流速u的增大而增大。
4多孔介質簡單阻力數學模型
通過多孔介質的流體流動所形成的壓降是由同時運動能量損失和粘滯能量損失所引起的。
之后學者們對上面的計算公式進行了改進，提出了適用于通過具體的不同物體的壓降計算公式，其中也包括通過不同類型介質的壓降計算公式。在多孔介質的研究方面，Ergun等人根據Reynolds公式，提出了適用于多孔介質的壓降公式
將試驗數據根據公式(2)進行回歸，可得到系數Ci和C2，Ci、C2僅與多孔介質的結構參數有關。從而得到壓降計算公式，用它計算所得的理論模型結果與試驗結果比較見圖7和圖8。在多孔介質厚度h-定、截面流速變化的條件下(圖7)理論模型得到的計算值和試驗值基本吻合。在空截面流速一定、多孔介質厚度變化的條件下(圖8)，用理論模型得到的計算值和試驗得到的試驗值吻合也較好。
5結論
(1)在往復式多孔介質生物質燃燒機的空截面速度“一定和多孔介質厚度力不變的情況下，隨著往復式多孔介質生物質燃燒機的周期性運伉生物質燃燒機各測點壓力隨著發生周期性的變化，并且各個周期壓力變化規律基本相同；
(2)在其他條件不變的情況下，往復式多孔介質生物質燃燒機的壓降AP與往復式多孔介質生物質燃燒機空截面流速甜的平方基本成正比關系；
(3)在其他條件不變的情況下，往復式多孔介質生物質燃燒機的壓降AP與往復式多孔介質生物質燃燒機內的多孔介質厚度五呈線性增大關系；
(4)在其他條件不變的情況下，往復式多孔介質生物質燃燒機的穩定時間f基本不受多孔介質厚度矗以及空截面流速“影響；
摘要：研究了往復式多孔介質生物質燃燒機在冷態條件下氣流在其中的流動特性規律。在多孔介質的類型和運行溫度不變的情況下，往復式多孔介質生物質燃燒機的壓降與空截面流速的平方成正比，與多孔介質的厚度成正比；燃燒器的穩定時間基本不受多孔介質厚度和空截面流速的影響。建立了計算壓降的簡單數學模型，理論模型的計算結果與實驗數據符合較好。
氣體燃料的燃燒主要是以自由火焰為特征的空間燃燒（或者直流燃燒技術）。以該種燃燒方式燃燒時，火焰面附近的溫度梯度陡而且分布不均，局部高溫區的存在使得大量NO。生成，造成大氣污染；燃燒反應的完成需要較大的空間，要求燃燒設備體積龐大，其應用受到空間限制；配套使用的換熱設備主要以煙氣輻射和對流沖刷進行熱交換，熱效率低；燃燒穩定性比較差，燃燒負荷調節能。
往復式多孔介質燃燒技術(Reciprocating Su-peradiabatic Combustion in Porous Media,以下簡稱RSCP)最早是Hanamura K和EchigoR在1993年提出的H，后來有人稱作多孔介質中往復流動下的超絕熱（超焓火焰）燃燒技術[ 51。這種燃燒技術已經在瑞典成功應用于汽車噴漆車間排氣中有機污染物的燃燒凈化[q。該技術在提高燃燒效率、擴展可燃極限、節約燃料、改善環境以及處理各類垃圾和廢棄物等方面具有其他燃燒技術不可比擬的優越性。
國內在冶金工業爐中應用的高溫低氧燃燒(High Temperature Air Combustion筒稱HTAC)也是把RSCP的原理應用到冶金工業爐中嗍。不過兩者有很大的區別，HATC把多孔介質僅僅作為換熱器來用，燃燒在自由大空間中完成的，而RSCP燃燒則發生在多孔介質里面。在已發表的文獻資料中，國內RSCP技術的研究和應用RSCP的燃燒器開發尚不多見。
往復式多孔介質生物質燃燒機是基于RSCP的新型的生物質燃燒機。本文研究冷氣流在燃燒系統中交替流動時，在不同的實驗條件下系統壓降的變化以及系統的流動穩定狀況，為該燃燒系統的設計和運行提供理論依據。
2往復式多孔介質生物質燃燒機試驗裝置與試驗方法
往復式多孔介質生物質燃燒機結構對稱（圖1），系統主要包括換熱器、多孔介質蓄熱式燃燒室、緩沖箱、電磁閥、預混室、質量流量計、空氣供給系統、燃氣供給系統、控制系統、壓力傳感器和數據采集系統。試驗氣體通過質量流量計進入預混室，首先通過電控閥1進入左側多孔介質蓄熱式燃燒室（電控閥2、3關閉），然后經過換熱器，再進入右側多孔介質蓄熱式燃燒室，經電控閥4排出。該流程完成后，通過可編程控制系統關閉電控閥1、4同時將電控閥2、3打開，這時實驗氣體通過電控閥2進入右側多孔介質蓄熱式燃燒室，然后經過換熱器，再進入左側多孔介質蓄熱式燃燒室，經電控閥3排出。試驗中，上述過程重復進行。
多孔介質燃燒系統中氣體進出是由兩組電控閥（1、4和2、3）來控制。如果在一組同時通電的電控閥1、4(2、3)中，沿氣流方向在后面的電控閥4(3)相對前面的電控閥1(2)打開時間延遲，造成氣體的瞬時堵塞，測點壓力瞬間升高很快。反之，則測點壓力突變就較小。這就要求每組電磁閥必須同步開關，以保證系統氣流流動的穩定性。
試驗是在常溫下進行的，通過質星流量計調節試驗氣體的流量來改變生物質燃燒機的空截面流速，增減燃燒室內泡沫陶瓷片的片數來改變多孔介質的厚度。試驗所用的多孔介質是泡沫陶瓷片（主要成分為Al203），其空隙率為82%～86%。
測點壓力是由壓力傳感器測得的。定義壓力傳感器采集壓力數據頻率的倒數為采樣時間，兩組電磁閥相互切換的間隔時間為周期切換時間。空截面流速甜是試驗氣體通過生物質燃燒機內多孔介質空截面的氣流速度。多孔介質厚度五是燃燒器左右兩側中單側的多孔介質高度。試驗中，兩側的多孔介質厚度相等，設定采樣時間0. 118 s，周期切換時間為5s。
3試驗結果與分析
3.1等空截面流速等厚度的阻力特性
為了研究生物質燃燒機系統的阻力特性，保持通過多孔介質生物質燃燒機內的空截面流速“恒定，在多孔介質厚度矗不變的條件下，對各個測點進行測壓，得到一系列的阻力特性鹽線。典型的試驗結果曲線如圖2所示。
由圖2可以看出，隨著往復式多孔介質燃燒器中的氣流周期性的換向流動，測點壓力也隨著周期性的變仳。在每一個周期內，壓力的突變發生在換向的時候，一開始壓力突然升高，然后迅速下降，直至壓力穩定。在壓力穩定一段時間后，電控閥開始換向，此時測點壓力先迅速下降，然后迅速上升，之后達到穩定。在多次循環換向的過程中，每一個周期的壓力變化曲線是很相近的。
從開始換向到第一次達到流動穩定的間隔時間定義為穩定時間。圖2中的穩定時間為1.5 s。穩定時間是系統運行時候重要參數之一，它是系統達到穩定流動所需的最小時間。它為系統周期換向時間的選擇提供重要的理論數據。
3.2空截面流速對穩定時間的影響
圖3給出了多孔介質厚度五分別保持在90、130和170 mm，不同空截面流速“下的系統穩定時間f的變化情況。可以看出多孔介質厚度在170、130、90 mm時，隨著空截面流速“的增加，穩定時間≠基本不變。可以得知，在生物質燃燒機的幾何參數不變以及多孔介質厚度不變的情況下，空截面流速“對生物質燃燒機系統穩定時間f影響較小。
從圖3中還可以發現，在空截面流速“增大的情況下，穩定時間f稍變大。隨著空截面流速甜增大，氣流在多孔介質內流動的雷諾數增加，從而增加了氣流的紊流趨勢，使得系統內流動趨向穩定的時間增加，從而使得系統的穩定時間略微增加。在上述試驗條件下，穩定時間f基本保持不變（t=1.2 s）。
3.3 多孔介質厚度對穩定時間的影響
影響穩定時間的另一個參數是多孔介質的厚度，因為多孔介質的泡沫結構影響氣流的流動穩定。在空截面流速一定條件下，多孔介質厚度與穩定時間的關系如圖4所示。在三種不同的多孔介質厚度下，穩定時間很接近。由圖4可知，在空截面流速“不變的條件下，隨著多孔介質厚度五的增加，系統的穩定時間f基本保持不變。這說明多孔介質的厚度乃對系統的穩定時間f的影響很小。在空截面流速分別為u -0. 316、0.632、0. 947 m/s時，穩定時間f保持在1.2 s。
3.4 空截面流速、多孔介質厚度對生物質燃燒機進出口壓降的影響
生物質燃燒機的進出口壓降AP是生物質燃燒機設計和運行昀重要理論數據之一。本文研究了空截面流速甜和多孔介質厚度力兩個參數對生物質燃燒機進出口壓降的影響，得到了在多孔介質的厚度矗不變的條件下，空截面流速與生物質燃燒機進出口壓降的規律曲線（圖5），同時得到了多孔介質厚度對生物質燃燒機進出口壓降的影響（圖6）。
由圖5可知，不同的多孔介質厚度五下，進出口壓降AP隨著空截面流速“的變化趨勢基本一致。隨著多孔介質截面流速“的增加，往復式研究與探討多孔介質生物質燃燒機的進出口壓降AP隨著其值大，基本上是二次曲線的形狀。也就是說往復式多孔介質生物質燃燒機的壓降AP與通過多孔介質氣流空截面速度甜的平方基本成正比關系。
圖5空截面流速對生物質燃燒機進出口壓降的影響
由圖6可知，在剛玉管內多孔介質的空截面流速“不變的情況下，隨著多孔介質厚度向的增加，往復式多孔介質生物質燃燒機進出口壓降AP也隨之增大，基本是一次直線的形狀。在不同的空截面流速下，其變化的趨勢也相同。也就是說往復式多孔介質生物質燃燒機的進出口壓降印與多孔介質厚度h成正比關系。在等多孔介質厚度的條件下，壓降隨著空截面流速u的增大而增大。
4多孔介質簡單阻力數學模型
通過多孔介質的流體流動所形成的壓降是由同時運動能量損失和粘滯能量損失所引起的。
之后學者們對上面的計算公式進行了改進，提出了適用于通過具體的不同物體的壓降計算公式，其中也包括通過不同類型介質的壓降計算公式。在多孔介質的研究方面，Ergun等人根據Reynolds公式，提出了適用于多孔介質的壓降公式
將試驗數據根據公式(2)進行回歸，可得到系數Ci和C2，Ci、C2僅與多孔介質的結構參數有關。從而得到壓降計算公式，用它計算所得的理論模型結果與試驗結果比較見圖7和圖8。在多孔介質厚度h-定、截面流速變化的條件下(圖7)理論模型得到的計算值和試驗值基本吻合。在空截面流速一定、多孔介質厚度變化的條件下(圖8)，用理論模型得到的計算值和試驗得到的試驗值吻合也較好。
5結論
(1)在往復式多孔介質生物質燃燒機的空截面速度“一定和多孔介質厚度力不變的情況下，隨著往復式多孔介質生物質燃燒機的周期性運伉生物質燃燒機各測點壓力隨著發生周期性的變化，并且各個周期壓力變化規律基本相同；
(2)在其他條件不變的情況下，往復式多孔介質生物質燃燒機的壓降AP與往復式多孔介質生物質燃燒機空截面流速甜的平方基本成正比關系；
(3)在其他條件不變的情況下，往復式多孔介質生物質燃燒機的壓降AP與往復式多孔介質生物質燃燒機內的多孔介質厚度五呈線性增大關系；
(4)在其他條件不變的情況下，往復式多孔介質生物質燃燒機的穩定時間f基本不受多孔介質厚度矗以及空截面流速“影響；
(5)往復式多孔介質生物質燃燒機的壓降符合Ergun公式
生物質氣化站，http://www.598jx.com
