空气槽对微型Swiss-Roll燃烧器工作特性的影响

李军伟,钟北京,王建华,魏志军,王宁飞

(1.北京理工大学 宇航学院, 北京 100081； 2.清华大学 航天航空学院, 北京 100084)

由于碳氢燃料的储能密度远高于目前广泛使用的电池(如液体庚烷的储能密度约为45MJ/kg,而锂离子电池仅为0.6MJ/kg),因此基于燃烧的微小型发电装置的研究受到了国内外的广泛关注. 基于燃烧的微电源中,由于燃烧器尺度的减小,导致火焰向燃烧室壁面的热损失增加,最终造成熄火、燃烧不稳定以及热效率降低. 因此,利用过量焓燃烧来增强燃烧稳定性的技术受到了广泛关注[1-2]. 在过量焓燃烧室中,利用燃烧产物的余热预热反应物,提高反应物的焓值,扩展燃烧器的可燃极限. 过量焓燃烧方式最开始由Weinberg[3]和Lloyd[4]等提出. Swiss-roll燃烧器是过量焓燃烧器的一种,具有更大的换热面积. 目前,国外对Swiss-roll结构的换热燃烧器进行了较多的研究,Jones等人[5]对Swiss-roll结构的换热燃烧器的定量熄火极限进行了模型研究. Ronney[6]提出了改进的U型逆向流动热循环燃烧模型. Kuo等人[7]采用数值方法研究了使用丙烷/空气的Swiss-roll燃烧器. Ahn等人[8]在Swiss-roll燃烧器中进行了丙烷和空气的燃烧实验. 但是,这些燃烧器的通道尺寸较大,大于标准状态下丙烷/空气的熄火距离. Kim等人[9-10]对3种不同几何形状的小型Swiss-roll燃烧室的燃烧特性进行了实验研究，但国内尚未有对Swiss-roll燃烧器的实验研究.

为了解空气槽对微型Swiss-roll燃烧器工作特性的影响,作者加工了2种通道宽度仅为0.6mm的平板型Swiss-roll燃烧器,采用甲烷-空气预混气体进行了燃烧实验,研究了燃烧器在不同甲烷流量下的可燃极限,以及空气过量系数对微型燃烧器壁面温度的影响.

1 实验装置和实验模型

1.1 实验系统

实验在微小燃烧器实验台上进行,实验系统原理图如图1所示. 该实验系统由氧气和甲烷-空气供应分系统、测控和数据采集分系统、点火分系统、微小Swiss-roll燃烧器和固定台架等组成. 供应系统主要包括高压气瓶、减压器、截止阀、质量流量控制器、电磁阀、单向阀和管路等. 实验中,为了达到安全、可靠地点火,采用电火花点火器. 在实验时只要调整好氧气和甲烷的混合比α(氧气与甲烷的空气过量系数),就能可靠地点火,然后在维持稳定燃烧的情况下逐渐增加空气流量,减小氧气流量直至关闭,最后空气和甲烷的混合气在燃烧器内稳定燃烧.

实验中测量的主要参数包括：空气、氧气和甲烷的质量流量、燃烧器外壁不同位置上的温度. 空气和甲烷的流量采用D07-7A/ZM质量流量控制器来调节,测量误差小于满量程的2%. 同时,计算机也可以发出指令信号,调节质量流量控制器的流量大小. 氧气的流量采用浮子流量计控制. 燃烧室外壁的不同位置焊接0.2mm直径的镍铬-镍铝热电偶丝,用来测量通道壁面的温度. K型热电偶的误差极限为±0.75%(400～1300℃),但是在实际使用中存在由于热电偶自身产生的误差,如热电偶位置测量不准确、由于辐射及导热在导线中的传热损失等. 热电偶测点是与壁面焊接在一起的,传热误差很小,总误差估计小于±5K. 热电偶的输出电压只有mV量级,经热电偶前置调理板滤波、放大后被数据采集卡采集.

图1 实验系统简图

1.2 实验模型

为了研究空气槽对微型燃烧器可燃极限和壁面温度的影响,加工了2个微型Swiss-roll燃烧器,均为螺旋形状气体通道. 进气通道间隙宽度为0.6mm,小于甲烷和空气在常温常压下的最小熄火直径；排气通道间隙宽度为1mm,通道之间的室壁厚度为1.0mm. 在燃烧器的中心,为了保证甲烷/空气能够在无催化剂的情况下稳定燃烧,采用较大的空间,大于甲烷/空气的最小熄火直径. 中心的形状近似于椭圆形,长轴为6mm,短轴为4mm.

带有空气槽的燃烧器命名为Model1,如图2所示. 进、排气通道间隔着一道墙壁用于换热,同一圈上3道墙壁隔成两个气体通道. 在两圈通道之间增加一个空气间隙,用来减少两圈之间的散热以及燃烧器机体的热容,空气槽的径向间隙宽度为2.0mm. 本实验中,空气槽内添加了耐热高温胶,对燃烧器起到保温作用.

图2 微小燃烧器Model1

没有空气槽的燃烧器命名为Model2,如图3所示. 在这种燃烧器中,两条进气通道(或排气通道)中间夹着一条排气或进气通道. 与Model1相比,增加了排气通道与进气通道的热交换,有利于燃烧器整体温度的平衡. 燃烧器的两个端面进行密封,防止气流越过中间壁面流动.

图3 微小燃烧器Model2

在两种燃烧器的中心,都有氧气管路与燃烧器相连接. 实验时,先采用氧气和甲烷进行点火,甲烷和氧气在燃烧器中心稳定燃烧,将燃烧器进行预热,然后关闭氧气,打开空气,最后甲烷和空气预混气体在燃烧器中心稳定燃烧. 在实验过程中,实时采集了燃烧器不同位置的壁面温度,两种燃烧器的热电偶的布置如图2(a)和图3(b)所示.

2 实验结果与讨论

2.1 可燃极限的比较

图4 两种燃烧器可燃极限的比较

采用甲烷和空气分别对两种燃烧器进行了多种流量下的燃烧实验,燃烧器中心能够得到稳定的甲烷/空气火焰,实现了甲烷-空气混合物的稳定燃烧. 图4是两种燃烧器可燃极限的比较. 横坐标为甲烷流量,纵坐标为空气过量系数. 从图中可以看出,燃烧器Model1的可燃极限范围较宽,能够在更大范围的甲烷流量和空气过量系数下工作,富燃极限在0.7左右,富氧极限最大为2.2. 燃烧器的富燃极限变化较为缓慢,在很大甲烷流量范围内都处于一个较低的水平. 而富氧极限变化比较显著,范围扩展比较迅速. 其原因在于气体流量的增加提高了换热效率,从而使得燃烧器可以维持在比较高的温度水平. 可以看到,燃烧器Model2在甲烷大流量和小流量时对应的空气极限流量都有所缩小,大约在甲烷流量为2.2mg/s时可燃极限范围最大,此时燃烧的稳定性最好. 通过换算可知，此时燃烧室的进气流速度5～8m/s. 富氧极限为1.8左右,富燃极限在0.8附近.

2.2 壁面温度比较

图5给出了两个燃烧器在不同空气过量系数(α)时测量得到的壁面温度分布. 横坐标是热电偶在燃烧器上的布置位置. 对于燃烧器Model1,TC1布置在燃烧器中心,其它热电偶的位置依次由燃烧器中心到燃烧器边缘. 由图中可以看出,在实验进行的甲烷流量范围内和不同α下,燃烧器的温度分布规律是类似的,即燃烧器中心(TC1～TC3)温度最高,并沿径向逐渐降低,表明甲烷-空气混合物可以在燃烧器中心稳定地燃烧. 由于实验是在小流量下进行的,在实验过程中很难实现微小流量的精确控制,因此在图中给出了测量的甲烷流量范围. 由图5给出的温度分布同样可以看到,火焰温度仍然是在理论空气过量系数附近、略偏大于1的条件下达到最大值(见图5(a)),而且随着甲烷流量的增大,火焰温度升高.

对于燃烧器Model2,在甲烷流量等于3.0mg/s时,α变化对温度分布的影响如图5(b)所示. 可以看出燃烧器径向温度温差比较小,在距离燃烧室中心3.5mm的位置上与距中心14mm位置上的温差约为80K,温度差分为7.6K/mm. 在偏离当量混合比时稳定性不好,容易熄火,而且中心最高温度比较低. 实验中也可以看到，燃烧器中心部位不易发红,在甲烷流量较大的情况下,Model2的最高温度不超过900K. 所以Model2在得到大面积温度比较均匀的低温热源方面有优势.

图5 两个燃烧器的壁面温度分布

图6是Model1壁面温度随空气过量系数的变化曲线. 从图中可以看出,壁面上各个点的温度都有着相同的变化趋势. 在α>1时,燃烧器的壁面温度最高. 在最高温度的两侧,壁面温度都逐渐下降,富燃时壁面温度下降得比富氧时快. 这是由于甲烷过量时,燃烧放热量减小,壁面温度迅速下降. 壁面最高温度和最低温度相差非常大,中心壁面温度达到了1100K,而边缘的壁面温度只有500K.

图7是两个燃烧器空气过量系数在1.0附近时壁面温度随甲烷流量的变化曲线. 从图中可以看出,两种燃烧器的壁面温度随着甲烷流量的增加而升高. 这是由于随着甲烷流量增加,燃烧放热量增加. 随着甲烷流量的增加,Model1的中心和边缘的壁面温差不断增大,而Model2的则变化不大. 由此可以看出,Model2的壁面温差不大,适合作为平面均匀热源. 在甲烷流量为2.6mg/s附近,Model1的中心温度最高达到了1150K,而Model2的最高中心温度只有760K左右.

图6 qm(CH4)=2.1 mg/s,Model1壁面温度随α的变化曲线

图7 壁面温度随甲烷流量的变化曲线(α≈1.0)

根据标准状态下的甲烷燃烧热值,计算的2个燃烧器的功率随甲烷流量的变化曲线如图7所示. 由图7可见，当甲烷流量为1.7mg/s时,两个燃烧器的功率均为94.2W,但是Model1的中心温度为942K,而Model2的中心温度仅为671K. 由于Model1的中心温度较高,因此能够保持较大的可燃极限.

3 结 论

① 作者设计的两种微型Swiss-roll燃烧器都能够实现逆流换热,保证甲烷-空气预混气体的稳定燃烧,在甲烷流量范围和燃烧工况条件下,预混气体可以通过逆流换热提高未燃气体的初始温度,并在燃烧器中心实现稳定燃烧,温度分布呈现燃烧器中心高,沿径向逐渐降低的趋势. 最高的火焰温度在理论空气过量系数附近,且随着空气流量的增大,火焰温度逐渐下降,因此可以通过控制空气的流量实现低温燃烧.

② Swiss-roll燃烧器能够在大的空气过量系数范围内稳定工作,但是富燃极限比较小,而富氧极限比较大. 空气槽的存在有利于减小微燃烧器的散热,扩展可燃极限.

③ 当燃烧器上有空气槽时,燃烧器中心的温度很高,边缘的温度较低,燃烧器端面存在较大的径向温度梯度. 对于没有空气槽的燃烧器,燃烧器端面的温度比较平均,沿径向没有太大的温度梯度.

④ 当燃烧器上有空气槽时,燃烧器的可燃极限增加,能够在较大的空气过量系数下工作. 另外,燃烧器稳定工作的甲烷流量变得更小.

参考文献：

[1]Carlos F A. Micro-power generation using combustion：issues and approaches[C]∥Proceedings of Twenty-Ninth International Symposium on Combustion. Sapporo, Japan:[s,n],2002.

[2]黄俊,薛宏,潘剑锋,等.微动力系统的若干研究动态和进展[J].世界科技研究与发展,2005,1(1):5-9．

Huang Jun, Xue Hong, Pan Jianfeng, et al. Recent trends and development on micro power systems[J]. World Science Technology Research and Development,2005,1(1)：5-9. (in Chinese)

[3]Weiberg F J. Combustion temperatures: the future[J]. Nature,1971，233:233-239．

[4]Lloyd S A, Weinberg F J. Limits to energy release and utilisation from chemical fuels[J]. Nature,1975,257:367-370．

[5]Jones A R, Lloyd S A, Weinberg F J. Combustion in heat exchangers[J]. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences,1978,360:97-115．

[6]Ronney P D. Analysis of non-adiabatic heat-recirculating combustors[J]. Combustion and Flame,2003,135(4):421-439．

[7]Kuo C H, Ronney P D. Numerical modeling of non-adiabatic heat-recirculating combustors[J]. Proceedings of the Combustion Institute,2007,31(2):3277-3284.

[8]Ahn J, Eastwood C, Sitzki L, et al. Gas-phase and catalytic combustion in heat-recirculating burners[J]. Proceedings of the Combustion Institute,2005,30(2):2463-2472.

[9]Kim N, Kato S, Takuya K. Flame stabilization and emission of small Swiss-roll combustors as heaters[J]. Combustion and Flame,2005,141(3):229-240．

[10]Kim N, Aizumi S, Yokomori T, et al. Development and scale effects of small Swiss-roll combustors[J]. Proceedings of the Combustion Institute,2007,31(2):3243-3250．