微型熱光電系統(tǒng)中分層多孔介質(zhì)燃燒特性

徐 斌，李 博，吳 軍，吳 健，薛 宏

(1.河南科技大學(xué)車(chē)輛與動(dòng)力工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471003;2.加州州立理工大學(xué)機(jī)械工程系，美國(guó)加州91768)

0 前言

微型熱光電系統(tǒng)(MTPV)是一種微型動(dòng)力裝置，其利用氣體燃料燃燒的熱能，激發(fā)微型輻射器的外壁面產(chǎn)生熱輻射，該熱輻射被熱光電元件接收并轉(zhuǎn)換為電能。該裝置具有能量密度高、沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，因此有廣闊的應(yīng)用前景［1－2］。微型燃燒器是微型熱光電系統(tǒng)的核心部件，其燃燒過(guò)程的優(yōu)劣直接影響MTPV系統(tǒng)的輸出效率。

文獻(xiàn)［3］首先提出了在微燃燒器內(nèi)腔中填充多孔介質(zhì)，以強(qiáng)化與輻射器之間傳熱、增加輻射表面溫度均勻性。與傳統(tǒng)自由流中的燃燒技術(shù)相比，多孔介質(zhì)內(nèi)的燃燒具有貧燃極限低、火焰穩(wěn)定性好、燃燒效率高、溫度均勻、污染物少等優(yōu)點(diǎn)［4－5］。文獻(xiàn)［6］曾提出漸變型多孔介質(zhì)燃燒的概念。文獻(xiàn)［7－8］經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn):漸變型多孔介質(zhì)燃燒器的溫度分布比均勻型多孔介質(zhì)燃燒器的均勻，漸變型多孔介質(zhì)對(duì)火焰穩(wěn)定性具有更大的調(diào)節(jié)作用，可以實(shí)現(xiàn)更低的CO和NOx的排放。但是，在微型熱光電系統(tǒng)中，微型燃燒器均為均勻型多孔介質(zhì)［9］。

本文以多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒技術(shù)為基礎(chǔ)，分別研究了均勻多孔介質(zhì)孔隙率、雙層多孔介質(zhì)孔隙率、三層多孔介質(zhì)孔隙率對(duì)微型燃燒器外壁面溫度分布的影響，探討了在變多孔介質(zhì)情況下對(duì)整個(gè)MTPV系統(tǒng)性能的提升作用。

1 試驗(yàn)部分

本試驗(yàn)使用來(lái)源廣泛的CH4氣體作為燃料，純度為99.2%(體積比)的工業(yè)O2作為助燃劑。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。整個(gè)試驗(yàn)中主要利用質(zhì)量流量計(jì)、紅外測(cè)溫儀和電量測(cè)試儀等設(shè)備對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行控制測(cè)量，分析研究核心部件——微型燃燒器的外壁面溫度的變化情況，力求提高整個(gè)微型熱光電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率［10］。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

試驗(yàn)中使用Al2O3材質(zhì)的圓管型微燃燒器進(jìn)行試驗(yàn)分析，其長(zhǎng)度為35 mm，內(nèi)徑R=10 mm，壁厚為3 mm，燃燒器內(nèi)腔容積為2.748 cm3。燃燒狀況通過(guò)測(cè)量微燃燒器外壁面溫度的分布情況進(jìn)行考察。本試驗(yàn)采用的是K型熱電偶和紅外測(cè)溫儀相結(jié)合的測(cè)溫方法，以紅外測(cè)溫儀為主測(cè)儀器，K型熱電偶輔助驗(yàn)證，在外壁面沿微燃燒器軸線方向布置16個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

孔隙率ε是多孔介質(zhì)中空隙容積Vv與多孔介質(zhì)總?cè)莘eVt之比，是影響多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒傳熱的重要參數(shù)之一。多孔介質(zhì)對(duì)燃燒器的作用效果是由延長(zhǎng)燃?xì)怦v留時(shí)間，對(duì)新鮮燃?xì)膺M(jìn)行有效加熱的積極作用和面容比較大導(dǎo)致燃燒空間減少和散熱面積增大的消極作用共同決定的［11］。與一般燃燒器相比，可以總結(jié)出多孔介質(zhì)燃燒器的3大優(yōu)點(diǎn):外壁面的溫度較高，而且分布均勻;燃?xì)饽茉谳^寬的過(guò)量空氣系數(shù)范圍內(nèi)穩(wěn)定燃燒;污染物排放率低。

根據(jù)在燃燒器管內(nèi)填充的陶瓷球直徑的不同，形成的多孔結(jié)構(gòu)的孔隙率不同，在本文的試驗(yàn)研究中，分別采用球徑為2.24 mm、3.39 mm和3.79 mm的Al2O3小球，形成孔隙率ε分別為0.317、0.399、0.451的多孔介質(zhì)環(huán)境。

2.1 多孔介質(zhì)環(huán)境下的微型燃燒器試驗(yàn)

作者在前期空管微型燃燒器試驗(yàn)研究時(shí)發(fā)現(xiàn):混合氣在管內(nèi)駐留的時(shí)間短，燃燒放熱量較小，主要的燃燒放熱集中在燃燒器后端，并且混合氣流量不能過(guò)大，否則易吹熄火焰。而使用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)時(shí)，混合氣體在其孔隙中流動(dòng)、燃燒，多孔介質(zhì)固體骨架對(duì)混合氣具有加熱作用，促使混合氣能夠充分燃燒。多孔介質(zhì)燃燒器管壁溫度明顯高于空管燃燒器，且分布比較均勻，支持高流速下的燃燒。

根據(jù)作者前期的試驗(yàn)研究，在φ(CH4)∶φ(O2)=1∶1.5，總流量處于150～175 mL/min的范圍內(nèi)，微型燃燒器處于較好的工作狀態(tài)。圖2是3種孔隙率下微型燃燒器外壁面的中心線溫度分布。

圖2 不同孔隙率時(shí)的溫度分布曲線

從圖2可以看出:(1)兩種流量下，體積混合比φ(CH4)∶φ(O2)=1∶1.5時(shí)，壁面溫度均比較高;同時(shí)，當(dāng)流量從150 mL/min變?yōu)?87 mL/min，火焰中心位置有向微型燃燒器后端偏移的傾向。(2)保持一定的體積混合比，壁面溫度隨著入口流量的增大逐漸升高;但達(dá)到150 mL/min后，隨流量的增加，溫度升高不明顯。(3)由圖2b可知:流量Q=185 mL/min時(shí)，多孔介質(zhì)的孔隙率對(duì)外壁面最高溫度值影響不大，只是平均溫度隨著孔隙率的增大而稍有升高。

表1 不同孔隙率對(duì)應(yīng)的最高溫度和平均溫度

表1為不同孔隙率對(duì)應(yīng)的最高溫度和平均溫度，如表1所示，孔隙率ε=0.399時(shí)，最高溫度和平均溫度均高于孔隙率ε=0.317和ε=0.451時(shí)的情況。當(dāng)混合氣流量為150 mL/min，孔隙率ε=0.399的燃燒器最高溫度為1 184 K，高出另外兩個(gè)孔隙率燃燒器25 K;當(dāng)混合氣流量為187 mL/min，孔隙率ε=0.399，燃燒器最高溫度為1 189 K，基本和孔隙率ε= 0.317的燃燒器最高溫度持平。這說(shuō)明孔隙率過(guò)大或過(guò)小都不利于燃燒的發(fā)生，孔隙率過(guò)大使得流速較大，混合氣駐留時(shí)間變短，未在燃燒器內(nèi)部反應(yīng)完全的氣體帶走的熱量增多;孔隙率過(guò)小，因?yàn)楣腆w骨架的導(dǎo)熱快于氣體傳熱導(dǎo)致熱損失過(guò)快，不利于熱量的疊加。

2.2 多孔介質(zhì)環(huán)境下變孔隙率的微型燃燒器試驗(yàn)

分層多孔介質(zhì)的燃燒試驗(yàn)，是通過(guò)調(diào)節(jié)微型燃燒器中多孔介質(zhì)的孔隙率來(lái)進(jìn)一步改善和優(yōu)化微型燃燒器外壁面的溫度分布，從而達(dá)到提高M(jìn)TPV系統(tǒng)效率的目的。圖3是多孔介質(zhì)小球填充示意圖。

圖3 多孔介質(zhì)小球的填充方式

試驗(yàn)方法:(1)先把燃燒管的內(nèi)腔均勻分為兩段(見(jiàn)圖3a)和3段(見(jiàn)圖3b)。(2)按照不同的組合，在每一段分別填充不同球徑的多孔介質(zhì)小球，形成不同的孔隙率。(3)輸入φ(CH4)∶φ(O2)=1∶1.5，總流量分別為113 mL/min和150 mL/min的混合氣并點(diǎn)燃。(4)測(cè)試在不同的孔隙率分配及流量下的微型燃燒器外壁面的溫度分布。

圖4為孔隙率為兩段時(shí)的溫度分布，由圖4可知:不論是在113 mL/min還是150 mL/min流量下，2 mm/3 mm，即前半部分填充孔隙率為0.317的多孔介質(zhì)及后半部分填充孔隙率為0.399的多孔介質(zhì)的組合的燃燒器外壁面溫度分布最好，無(wú)論最高溫度還是平均溫度均最高。通過(guò)圖4可以看出:后半段的孔隙率過(guò)大會(huì)引起排溫過(guò)高，所以為保證較低的排溫，降低熱損失，提高燃料的利用效率，必須在后段填充低孔隙率的多孔介質(zhì)，這主要是因?yàn)?，低孔隙率的多孔介質(zhì)擁有更密集的導(dǎo)熱骨架和自身結(jié)構(gòu)保溫作用。

圖4 孔隙率為兩段時(shí)的溫度分布

圖5是微型燃燒器內(nèi)腔分配成3段，分別填充不同孔隙率的多孔介質(zhì)時(shí)的外壁面溫度分布曲線。由圖5可以看出:中段采用大孔隙率時(shí)，外壁面擁有較高的溫度峰值和平均溫度值;但兩種流量下，3 mm/4 mm/2 mm組合中的溫度峰值和平均溫度值均最高。主要是因?yàn)橹卸魏秃蠖未_定后，前端的孔隙率過(guò)小，密集的多孔介質(zhì)骨架會(huì)導(dǎo)致流速過(guò)快，燃燒中心點(diǎn)發(fā)生后移或燃燒不完全;除此之外，為保證溫度峰值點(diǎn)盡量處于中段位置，就要求前段的孔隙率不能過(guò)大。所以，由試驗(yàn)分析可知:末尾段小孔隙率可以起到較好的保溫作用，中斷的大孔隙率保證了較高的溫度值及其分布，前段采取中等孔隙率更為合適。

通過(guò)分析可知:采用分層多孔隙率的多孔介質(zhì)環(huán)境能夠明顯改善微型燃燒器的燃燒狀態(tài)。表2為均勻孔隙率和分層孔隙率分別對(duì)應(yīng)的最高溫度和平均溫度，其中，變孔隙率環(huán)境的外壁面溫度的最高溫度高出均勻孔隙率約80 K，平均溫度也要高出42 K，可見(jiàn)，燃燒性能得到了明顯改善，從最高溫度的增加值大于平均溫度的增加值可以看出，外壁面溫度分布同樣得到了優(yōu)化。

圖5 孔隙率為3段時(shí)的溫度分布

3 結(jié)論

表2 不同孔隙率對(duì)應(yīng)的溫度

(1)微型燃燒器內(nèi)腔采用多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)可以改善MTPV系統(tǒng)的燃燒過(guò)程。孔隙率是影響多孔介質(zhì)內(nèi)燃燒技術(shù)的重要因素，孔隙率過(guò)大或過(guò)小都會(huì)對(duì)燃燒產(chǎn)生不利的影響，在本研究條件下，孔隙率為0.399時(shí)，外壁面溫度分布曲線最優(yōu)。

(2)通過(guò)分析填充兩段和3段不同孔隙率的多孔介質(zhì)，末尾段小孔隙率的多孔介質(zhì)環(huán)境較好，中段宜采用較大的孔隙環(huán)境，前段孔隙率不能過(guò)大也不宜過(guò)小，具體可以根據(jù)流量的大小調(diào)節(jié)合適的填充模式。本試驗(yàn)中，3 mm/4 mm/2 mm的組合中的溫度峰值和平均溫度值均最為理想。

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