新型低热损失微燃烧器原型的实验研究

试验研究了一种降低微燃烧器热损失的新方式,其原理是通过多孔壁面均匀进气来预热未燃混合气,同时降低壁面温度,从而有效降低燃烧器热损失.结果表明:采用燃烧器周向供给富燃料混合气,端面中心供给空气的组合进气方式,可以在微燃烧器内形成稳定的管状预混合火焰,火焰呈蓝色,燃烧稳定.当火焰温度达到1 100 ℃以上时,燃烧器内壁的温度低于500 ℃,外壁面温度在150 ℃左右,微燃烧器的侧壁面热损失率约为6%,对于强化微燃烧器的火焰稳定性效果显著.     

稀释合成气微混合燃料喷射燃烧火焰特性研究

研究了耦合CO2稀释和微混合燃料喷射燃烧的火焰特性.结果表明:耦合CO2稀释和微混合燃料喷射燃烧是一种降低合成气扩散火焰NOx生成量的有效途径;实验范围内排放的NOx质量浓度一般低于2mg/m3,排放的CO质量浓度低于10mg/m3,排放的CO质量浓度随火焰热功率的增大而降低;燃烧器出口温度、壁面温度和喷嘴出口温度等均随火焰热功率的增大而升高.     

一种基于引射式预混燃烧器的新型高温温差发电系统

高温温差发电系统(TEG)由于在分布式能源和耦合热电提高系统效率等方面具有显著的特点而受到关注,但系统特性认识的缺乏阻碍了其发展与应用。为了优化燃烧过程及热端传热性能进而提高系统的发电效率,采用数值模拟的手段研究不同结构引射式预混燃烧器对系统性能的影响,获得优化的燃烧器结构。设计并搭建一种基于引射式预混燃烧器的新型高温温差发电实验台,实验结果证明模拟结果的正确性,经过燃烧器优化后的高温温差发电系统其热电(TE)模块热端温度更高、温度分布更均匀,系统的输出功率和发电效率得到较大的提高。     

氢燃料微混燃烧器燃烧特性研究

针对带中心钝体的四喷嘴微混燃烧器,运用ANSYS FLUENT软件,采用热态小火焰生成流形的方法对燃烧器模型进行数值模拟,并与实验研究相结合,研究了甲烷/氢气混合燃料(体积组分40%CH₄-60%H₂)微混燃烧条件下的燃/空掺混,流场、温度场、火焰形态及污染物排放等基础燃烧特性。研究结果表明：微混燃烧器采用空气和燃料径向进气的结构有利于燃/空掺混,在燃烧器出口的掺混均匀性指数达到0.959;燃烧器钝体结构处存在较明显的小型中心回流区,有助于火焰稳定;当量比在0.4～0.8范围内,火焰根部稳定附着在微混喷嘴的出口,火焰彼此相互独立,实验中燃烧器火焰形态与仿真OH^*场分布基本一致;绝热火焰温度在1 500～2 050 K范围内,模型燃烧室出口NO_x排放浓度均低于16×10^-6,CO排放浓度均低于11×10^-6,表明该微混燃烧器的污染物排放水平较低且燃烧效率极高。     

多孔介质回热微燃烧器的扩散燃烧

设计了多孔介质回热微燃烧器.进行了微燃烧器的扩散燃烧特性实验研究,得到了其燃烧效率、出口尾气温度、壁面温度和热损失率随燃烧热功率和过量空气系数的变化规律.实验发现,在较宽的操作范围内,微燃烧器具有较高的燃烧效率和出口尾气温度,而且随着燃烧功率和过量空气系数的增大,微燃烧器的壁面温度和热损失率反而减小.分析表明,采用回热夹层和多孔介质相向的进气方式,使得反应气体的流动方向与散热方向相反,有效回收了热量损失,提高了微燃烧器的热效率和出口尾气温度.所设计的多孔介质回热微燃烧器对开发微燃烧透平发电系统具有重要应用价值.     

提升反应温度对微尺度火焰稳定性的改善

本实验对微尺度燃烧器内部使用电热丝向反应物加热,提高其温度,减少散热影响,从而实现微尺度火焰稳燃.燃烧器为石英直圆管,长82.mm,通流面积3.33.mm2.氢气/空气混合气体流量为0.12.L/min、0.2.L/min、0.4.L/min,电热功率分别为0.W、1.05.W4、.70.W.实验结果显示,提高电热功率抑制熄火;提升燃料混合气体总流量也有助于抑制熄火;但高流量同时带来吹脱问题.测量燃烧器壁面温度,结合数值模拟研究内部燃烧过程.结果显示,随电热功率上升,反应温度和OH质量分数上升,证明电加热强化反应,抑制了热熄火.比较壁面散热,电热功率0.W,流量由0.12.L/min上升到0.2.L/min时,壁面散热占总能量份额由84.8%降低至81.1%.因此,在一定范围内提升燃料流量亦可抑制热熄火.     

H2／空气预混燃烧模拟计算和散热的研究

采用20步反应机理模拟了H2/空气在内径2 mm长20 mm的圆管内的预混燃烧.H2/空气预混火焰由壁面向中心传播,呈圆锥形.随着气流向后流动,燃烧区域截面温度曲线由"U"形变为"M"形,后又变为倒"U"形,分别对应壁面加热预混气体的过程,预混燃烧火焰由近壁面向中心传播的过程和燃烧后气体对外散热过程.微燃烧器对外散热量较大,约占总输入热的10%左右,其中燃烧段散热约占5%.辐射散热在壁面散热中占主导地位,占总散热的80%～90%,外壁低辐射系数的材料有利于减少散热和增加燃烧稳定性.对微燃烧而言,燃烧器壁厚增加使燃烧器散热增加,反而不利于降低燃烧器散热.燃烧器入口处壁温与壁面导热系数、壁厚不呈单调变化趋势.在导热系数为3～20 W/(m·K)、壁厚为1 mm左右时,燃烧器入口处壁温较高,有利于稳定燃烧.     

不同散热条件下微燃烧的数值模拟

散热是影响微尺度燃烧器燃烧稳定性的重要因素之一.本实验通过在一个长40 mm、内径2 mm、外径4 mm的石英玻璃直圆管表面施加不同的外部吹风温度,控制其表面散热.研究4、107、756℃外部风温下,微燃烧器的工作性能,其中燃料混合气体流量为0.16、0.28、0.32 L/min.实验测得燃烧器壁面温度,结合数值模拟研究内部燃烧过程.计算结果显示,提高燃料流量或外部风温可以提升反应强度、抑制熄火.如在风温107℃时,燃料气体当量配比下,当流量由0.16 L/min上升到0.32 L/min时,峰值温度由1538 K上升到1620 K;在流量0.28 L/min时,燃料气体当量配比下,当外部风温由4℃上升到756℃时,峰值温度由1592 K上升到1731K.     

具有PCM的汽车尾气温差发电器的变工况模拟

以内燃机为动力的汽车尾气余热具有高度瞬变特性,而温差发电器(termoelectric generator,TEG)往往对温度的变化较为敏感,针对这一矛盾,在尾气管道和热电模块之间添加相变材料层以减缓尾气温度波动对热电模块性能的影响。通过模拟计算的方法,比较了变工况条件下,相变材料层的添加对热电模块热端平均温度、输出电压等因素的影响。结果表明,相变材料(phase change materia,PCM)的添加对热电模块热端温度波动起到了良好的缓冲作用,大大提高了TEG输出电压的稳定性。     

小尺度燃烧器壁面热性能对火焰稳定性的影响

从调整小型燃烧器壁面热性能的角度出发,对改善其稳燃性能进行了研究,共进行了两个实验.第1个实验采用多孔介质燃烧技术,比较研究了不同导热率的壁面材料(硅与石英)对燃烧器稳燃性的影响.结果发现,尽管两种材料燃烧器有着相同的低速极限,但是高导热率的硅燃烧器比石英燃烧器有着更大的高速极限,使火焰能够稳定在多孔介质材料上而不被吹出.第2个实验探索了各向异性材料热解石墨燃烧器的性能,作为对比,对各向同性的不锈钢316常规材料燃烧器也进行了研究.由于壁面被增强的流向导热及被减弱的法向热损失,热解石墨与各向同性的不锈钢相比,稳燃极限扩大,有着更大的稳燃区间.