变功率下Rijke预混燃烧器的热声不稳定

为探索燃烧过程中热声不稳定的产生机理，对Rijke预混燃烧器热声不稳定进行了试验研究．Rijke预混燃烧器为直径40mm、管长1066mm的不锈钢圆管，下端封闭，上端开口；致密堇青石材质的多孔介质稳燃体位于燃烧器1／4管长处，甲烷与空气的预混气体在稳燃体上方燃烧形成平面火焰作为加热热源．试验发现，Rijke预混燃烧器的燃烧温度和热声不稳定强度都随功率的变化而线性变化，获得的声压级位于132-143dB．另外，Rijke预混燃烧器内热声不稳定的主峰频率几乎不受功率的影响，但幅值为最大峰值一半时的高频率和低频率之差随着功率的增大而不断减小，说明燃烧功率越大时，热声不稳定的声能就越集中于主峰频率．

全预混表面式燃烧器掺混结构实验研究

天然气全预混表面式燃烧器具有燃烧效率高、氮氧化物排放低的优势,因此,近年来全预混表面式燃烧器在小型天然气锅炉中得到了广泛的应用。天然气和空气掺混结构性能是决定全预混表面式燃烧器性能的关键因素,本文对采用文丘里和旋流叶片组合形式掺混结构的全预混表面式燃烧器进行了试验研究,获得了不同负荷下3种方案掺混结构的燃烧器氮氧化物排放特性,为全预混表面式燃烧器掺混结构的设计和优化提供了试验数据支撑。

横向射流对Rijke型燃烧器热声不稳定控制效果的影响

为了研究横向射流控制Rijke型燃烧器内自激热声不稳定的机理,搭建了Rijke型燃烧器热声不稳定控制试验台架。Rijke型燃烧器采用贫燃预混的燃烧方式,使用氮气作为射流气体进行横向射流主动控制。试验测量了不同射流速度和射流流量情况下Rijke型燃烧器热声振动的振幅和频率,分析了二者对控制效果的影响。试验发现横向射流是有效的Rijke型燃烧器热声不稳定控制方法,Rijke型燃烧器热声不稳定的控制效果随横向射流进气速度和横向射流进气流量的增加而线性增加,另外,当射流气体速度为24.00 m/s,流量为4.52 L/min时,控制效果高达98.81%,此时仅有小幅低频振动。

Rijke型燃烧器热声不稳定的频率跳跃

为研究热声不稳定的自激机理,搭建了Rijke型预混燃烧器热声不稳定试验台架,研究了其热声不稳定起振过程的频率特性。Rijke型燃烧器为两个不同尺寸的方管,下端封闭,上端开口,多孔介质稳燃体位于燃烧器下端四分之一管长处,甲烷与空气的预混气体在稳燃体上方燃烧,形成平面火焰。试验发现了Rijke型预混燃烧器内热声不稳定的起振过程中存在着频率跳跃,燃烧热释放脉动与燃烧器声场的耦合首先激发低阶的热声振荡,然后此低阶热声振荡逐步消退,再度激发起更高阶的热声不稳定,依次类推,直至激发起适合当前燃烧器结构的稳定持续的压力振荡.

Rijke燃烧器热声振动频率的数学推导及试验验证

采用分离变量法和HP E1432A高速动态数据采集系统对Rijke燃烧器热声振动频率进行了数学推导和试验研究。由牛顿第二定律、质量守恒定律及物态方程推导出声波振动频率的计算公式,求得其解析解。试验采用不锈钢管作为研究对象,下端封闭,上端开口;致密堇青石材质的多孔介质作为火焰稳燃体;甲烷与空气预混气体在稳燃体上方形成平面火焰作为加热热源。试验通过压力传感器和HP E1432A测得管内各处的压强信号,并通过快速傅立叶变换得到其相应的热声振动频谱。结果表明,Rijke燃烧器热声振动频率的数学解析解和试验结果基本一致。

扬声器对Rijke型燃烧器热声不稳定控制效果的研究

扬声器布置在Rijke管型燃烧器入口和出口处,输出不同频率和声压级的声波可以对热声不稳定进行开环主动控制。试验发现在热声管燃料入口燃料管路布置扬声器是一种有效的热声不稳定主动控制方法,扬声器发出的声波可以使热声不稳定的压力振荡有所衰减,同时也会产生新的和声波同频的压力振荡;在某些工况下,和声波同频的压力振荡幅值甚至会高于热声不稳定的压力振荡幅值;在该试验中,当扬声器声波频率为50 Hz、声压级为100 d B时,控制效果最好,达到38.55%。布置在热声管开口端的扬声器也是一种有效的热声不稳定主动控制方法,在该试验中,当扬声器声波频率为300 Hz、声压级为115 d B时,控制效果最好,此时控制效果可达34.58%。

Rijke型燃烧器热声振动特性的试验研究

为研究燃烧过程中的热声振动特性,搭建了Rijke型预混燃烧器热声振动特性试验台架,并进行了化学当量Ф为0.8、1.0和1.2的三组试验研究。Rijke型预混燃烧器为直径40 mm,管长1066 mm的不锈钢圆管,下端封闭,上端开口。致密堇青石材质的多孔介质稳燃体位于燃烧器四分之一管长处,甲烷与空气的预混气体在稳燃体上方燃烧。试验获得的燃烧温度位于611 K—943 K之间;热声振动频率在440 Hz—476 Hz之间;热声振动声压级位于131 dB—146 dB之间。试验发现,Rijke型预混燃烧器的燃烧温度在同一燃烧功率下基本一致,不受化学当量比的影响。热声振动频率随燃烧功率的增加轻微上升,不同化学当量比下振动频率的变化幅度不相同,贫燃和富燃时频率随燃烧功率的增加有较大的增加,且贫燃大燃烧功率时出现了低频大振幅振动与高频振动并存的现象。热声振动强度强烈依赖于燃烧功率和化学当量比,同一燃烧功率不同化学当量下的热声振动强度相差可达50%。

Rijke管型脉动燃烧器自激起振温度研究

Rijke管型脉动燃烧器具有燃烧效率高、传热效率高、污染小等独特优势,因此,在锅炉和航空领域引起了广泛的关注。但是Rijke管的起振机理和自激振荡过程的控制十分复杂,使得起振温度的计算十分困难。文章根据文献中对Rijke管振荡机理的解释,经过进一步的推导和近似处理,得到了Rijke管起振温度表达式。结果表明起振温度随流量的改变有一最大值,而且Rijke管内流量只有满足一定条件时才能产生振荡。这对研究Rijke管型脉动燃烧器,以及热声热机的起振特性具有重要的理论和实用价值。

不锈钢圆筒状全预混燃烧器的设计与验证

在“双碳”政策驱动下,各行业都大力发展绿色节能技术,然而国内燃气采暖热水炉产品也开始进入“全预混时代”。全预混燃烧方式作为燃气采暖热水炉产品迈入“全预混时代”的核心关键技术之一,需要深入研究及提升。本文主要分析全预混冷凝壁挂炉中使用的完全预混式燃烧器的构造及工作原理,涉及一种不锈钢圆筒形全预混燃烧器的设计与实验验证及其设计合理性过程。通过基理论计算,得出全预混燃烧器的火孔尺寸参数及其出口流速和火孔热强度,并通过仿真分析优化结构。通过实验测试研究其运行性能,其烟气排放及氮氧化物排放效果皆符合技术要求,可对全预混燃烧器技术的研究及优化提升提供参考。

Rijke型燃烧器中声波对碳烟抑制影响的试验研究

针对Rijke型燃烧器的碳烟排放过高的问题,利用扬声器诱发火焰与声波的共振使火焰进入脉动燃烧状态以达到碳烟抑制的目的。首先分析了声波的频率、振幅和波形及乙炔的流量对碳烟抑制效果的影响,然后分析了火焰周期性变化图像,并测量了火焰的温度。结果表明:在共振频率为170 Hz和346 Hz的情况下,当输入振幅超过0.04 V时,碳烟抑制率最高可接近100%;碳烟的抑制效率与外加声波的波形(方波、正弦波和三角波)相关,在频率较高(346 Hz)时差异更为明显;与其他波形相比,施加方波时,在同样的位置,火焰的温度最高,碳烟抑制效果最佳,其原因是方波对空气气团的压缩最强,提高了燃料与氧气的混合效果,促进了碳烟颗粒的再氧化,从而提高了燃烧效率。利用扬声器诱发的脉动燃烧能有效地抑制碳烟的生成,这可为Rijke型燃烧器的设计提供理论依据。

新型Rijke管燃烧装置特性分析

在实验的基础上指出 ,声脉动的发生不仅取决于 Rijke燃烧器的结构及热源位置 ,还受到进口处空气流速、温度梯度和气体平均密度等参数的影响。当这些参数和脉动速度数量级相当时 ,稳定的声场强度随空气进口流速的增大而加强 ,该流速的确定同时还要考虑燃烧的完全性。

微型燃烧器内甲烷预混催化燃烧的数值研究

微尺度燃烧存在热量损失大、易熄火、燃烧不完全、转化效率不高等问题,因此对微型燃烧器内甲烷的燃烧采取预混催化燃烧方式来提高燃烧的稳定性和转化效率,为微型发动机碳氢燃料燃烧技术奠定基础。采用连续介质层流有限速率模型和二阶离散方法对微型燃烧器微流道内的催化燃烧、流动和传热进行了三维数值模拟。结果表明,甲烷质量流量和过量空气系数对催化转化效率有一定影响,壁面温度是影响催化转化效率的主要因素。甲烷质量流量、壁面温度与最佳过量空气系数之间具有一定的变化关系。可根据催化温度选择富燃料或富氧燃烧方式来提高微尺度催化转化效率。恒壁温边界条件下,催化燃烧主要发生在燃烧腔的下壁面。

Rijke型燃烧装置结构特性对声波自激的影响

分析了 Rijke型燃烧器结构对声波产生的影响 ,根据理论分析及实验结果得出在较大型化的实验装置上实现声波作用燃烧的可能性和燃烧器结构对声激发的影响规律 ,以及减少燃烧器内部声能损失 ,促进和维持声能自激、转换的方法 ,为 Rijke型燃烧器走向大型化、实用化提供了理论及实验依据。

微型燃烧器预混腔内催化重整、积碳及流动特性模拟

因微型燃烧器内微尺度燃烧易熄火、燃烧效率不高,存在催化重整过程中的积碳、微尺度等问题,可利用甲烷和湿空气中水蒸汽预混催化重整产氢来强化燃烧,对预混腔内催化重整、积碳及流动特性进行模拟,探讨了微型预混腔中甲烷、水蒸汽重整过程中水碳比、质量流量和催化壁面温度对催化重整、积碳、流动等的影响。

低甲烷浓度煤层气部分预混式旋流燃烧器燃烧特性的实验研究

针对低甲烷浓度煤层气的特点,设计了150kW部分预混式旋流燃烧器,实验研究了燃烧器结构对低甲烷浓度煤层气燃烧的影响,考察了低甲烷浓度煤层气在燃烧器内的速度分布特性、旋流强度及甲烷浓度变化对温度分布的影响规律。结果表明：加装钝体结构的旋流燃烧器在燃用甲烷体积分数为20%的煤层气时,火焰长度降低,射流刚性增强,燃烧高效稳定;Z轴的逆轴向速度梯度范围随着直旋配风比的增加逐渐增大,射流刚性提高,中心回流区域变大;R轴的逆轴向速度梯度范围随着距离燃烧器喷口距离的增加逐渐缩小,回流区域变小,卷吸高温烟气的能力下降,不利于高效稳定燃烧;燃烧器喷口中心处的旋流强度随热负荷的增加而逐渐增大;当热负荷增加到50%以后,旋流强度随过量空气系数的增大而小幅度波动;当煤层气中甲烷体积分数为20%~30%时,随着甲烷浓度的增加,燃烧器出口的火焰形状呈现出变短变窄的趋势,燃烧稳定性提高,出口温度不超过1 000K,可以有效避免喷口被烧坏。

协流部分预混燃烧器设计及激光诊断测量

针对液体燃料层流燃烧的实验测量需要,设计一个边界条件可控的、稳定的液体燃料层流部分预混燃烧器.选取正庚烷与甲苯混合后的液体燃料作为验证火焰的实验燃料.火焰直接成像、双色法测温、激光诊断测量结果均与类似的部分预混火焰测量结果相近,表明了所设计燃烧器火焰的可靠性.激光诊断的研究结果清晰地表明了火焰在不同高度下碳烟及其前驱物多环芳香烃(PAHs)的生成氧化历程,为验证和发展液体燃料浓预混条件下的碳烟生成氧化机理提供数据支撑.

多孔介质微燃烧器预混燃烧的数值研究

开发了带有回热夹层的多孔介质微燃烧器,对其预混燃烧性能进行了数值模拟,研究了燃烧功率和过量空气系数对微燃烧器的出口尾气温度、燃烧效率、壁面温度和热损失率的影响.结果表明:在较宽的燃烧范围内,微燃烧器具有较高的燃烧效率和较低的热损失率,而且随着燃烧热功率和过量空气系数的增大,微燃烧器的外壁面温度和热损失率反而减小;多孔介质微燃烧器的最佳燃烧功率为200 W,最佳的过量空气系数范围为2.5<α<3.0.通过对其温度场的分析表明,由于采用了特殊的回热夹层和多孔介质板相向的进气方式,使得反应气体的流动方向与散热方向相反,反应气体在回热夹层和多孔介质中吸收了向外散热,提高了燃烧效率,有效降低了微燃烧器的热量损失;所设计的多孔介质微燃烧器是一种燃烧效率高、热损失率低的微型燃烧器.

预混式燃气燃烧器的熄火保护装置的设计

介绍了预混式燃气燃烧器熄火保护装置的设计过程。根据对单火孔预混式燃气燃烧器燃烧时在火焰不同位置火焰电阻的测试结果,讨论了火焰导电信号的变化规律和信号处理方法,在此基础上设计出信号转化电路和与控制电路的接口,使火焰导电检测成为熄火保护装置的可靠、灵敏的火焰检测部件。

平板式预混燃烧器的污染物排放特性

利用多引射器混合结构实现燃气和空气的完全混合,设计了平板式预混燃烧器,研究了燃烧器污染物排放特性与空气系数、喷嘴直径、热负荷比的关系.实验结果表明:平板式预混燃烧器实现了NO和CO的低排放;NO和CO的排放量随着空气系数的增大而减小;喷嘴直径越大,燃气和空气接触面越大,混合效果越好,CO的排放量越小;当空气系数为1.25时,全预混燃烧器烟气中折算为空气系数为1时NO排放为40×10-6,达到了氮氧化物的第5排放等级.

单火孔预混鼓风式煤气燃烧器喷头的设计原理

提出了单火孔预混鼓风式煤气燃烧器喷头的设计原理,讨论了在风机鼓风条件下,喷头主火孔影响煤气和空气的预混效果。经计算证明,喷头主火孔的直径是调节空气过剩系数的决定因素。同时,根据预混鼓风式煤气燃烧器在燃烧过程中会出现脱火的结论,提出燃烧器喷头必须带有稳焰结构,并给出了喷头的设计结构图。经使用证明:喷头制造成本低,结构简单,便于维修和更换,提高了燃烧器工作的稳定性。