多孔介質回熱微小燃燒器燃燒特性研究.pdf

1、微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)由于具有能量密度高、能量輸出方式靈活等優(yōu)點,不僅可作為微動力系統(tǒng)為微型飛行器等提供動力,還可作為微型電源為便攜式電子設備提供電能,因此具有廣闊的應用前景。微小燃燒器是微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的核心部件,隨著尺度的減小,燃燒器表面積體積比卻反比增加,使得微小燃燒器的熱損失相應地增大,從而導致微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉換效率很低。因此,開發(fā)熱效率高、熱損失小的微小燃燒器是開發(fā)微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的關鍵。本文基于超絕熱燃燒的機理,結

2、合回熱燃燒技術和多孔介質燃燒技術設計了多孔介質回熱微小燃燒器,并通過實驗和數值模擬的方法對多孔介質回熱微小燃燒器進行了燃燒特性研究。
　　 設計了均質多孔介質回熱微小燃燒器,并進行了燃燒特性實驗。實驗結果表明,當過量空氣系數1.0<α<3.0時,燃燒器的燃燒效率在709％以上,出口溫度大于800K;在一定的工況下燃燒器回熱夾層中也會出現燃燒現象,導致壁面溫度較高,熱損失較大。此外對均質多孔介質燃燒器內的流場進行數值分析發(fā)現,回熱

3、夾層中的預混氣有一部分通過多孔介質板中心區(qū)域進入燃燒室,使得預混氣在燃燒室內的停留時間較短,導致燃燒效率較低。
　　 針對均質多孔介質回熱燃小燒器的缺點,對其進行了結構改進,設計了變孔隙率多孔介質回熱微小燃燒器,并進行了H2/Air的預混和擴散燃燒的實驗研究。實驗結果表明,變孔隙率多孔介質回熱微小燃燒器在擴散燃燒方式下的燃燒運行界限明顯寬于預混燃燒,其燃燒運行界限最高可達8.0。擴散燃燒時,燃燒器在較寬的燃燒界限內具有較高的燃燒

4、效率和出口尾氣溫度,當0.8<α<4.0,P=100W時,燃燒器的燃燒效率均超過98%,出口溫度均大于1000K。另外,燃燒器具有較低的壁面溫度和壁面熱損失,并且燃燒功率越高,過量空氣系數越大,微燃燒器的熱損失率也越低。當燃燒熱功率.P=100W,α=4.0時,出口溫度接近1000K,燃燒器壁面溫度為512K,熱損失率僅為9.24%,是微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的最佳運行工況。
　　 采用CFD技術對不同燃燒方式下變孔隙率多孔介質回熱微

5、小燃燒器的燃燒過程進行了數值模擬。數值結果表明,在擴散燃燒方式下燃燒器的內部溫度梯度明顯大于預混燃燒,并且在不同的燃燒方式下燃燒器回熱夾層和多孔介質板兩側都具有明顯的溫差。此外,通過數值模擬對變孔隙率多孔介質回熱微小燃燒器的結構進行了優(yōu)化,結果表明,當多孔介質板P1、P2的直徑比d1/d2=10/9時,微燃燒器的燃燒性能最佳。
　　 綜合以上研究結果,采用特殊的回熱結構和多孔介質相向的進氣方式,可使氣體在回熱夾層和多孔介質中吸收