丙烷火焰冲击换热机理的实验研究

薛治家，夏永放，夏 畅，段明达，赵雪杉

(沈阳工程学院 能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110136 )



丙烷火焰冲击换热机理的实验研究

薛治家，夏永放，夏 畅，段明达，赵雪杉

(沈阳工程学院 能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110136 )

冲击换热是一种高效的强化换热形式，丙烷与空气流量，火焰与锅具之间的高度及火焰冲击角度是影响丙烷火焰冲击换热中热效率与污染物排放的重要因素。实验中设置丙烷流量分别为0.2 slm、0.3 slm、0.4 slm，空气流量分别为1.3 slm、1.7 slm、2.0 slm，高度分别为30 mm、40 mm、50 mm，角度分别为0°、15°、30°，进行丙烷火焰冲击换热实验，实验结果表明：丙烷燃气流量不变时，增大空气系数，NOX增加，CO减小，热效率有3种变化，说明热效率与空气系数是非线性关系存在最佳值；高度从最小增加到最大的过程中，热效率减小，NOX先增加再减小，CO排放量保持降低趋势，实验中观察到丙烷火焰的内焰顶部边缘接触锅具时热效率最高；角度分别为0°、15°、30°时，热效率逐渐降低、NOX和CO逐渐减小。

冲击换热;丙烷火焰;节能;热效率

冲击换热是气体燃烧热利用的重要方式，具有火焰与物体直接接触的特点和效率高的优势。丙烷火焰冲击换热机理的实验研究是其广泛推广的前提。为了高效利用可燃气体，国内外学者都对管道内混合火焰冲击传播特性及其内在机理进行了大量研究[1-5]。国内学者耿铁等[1]对冲击射流的研究，许多结论都是在特定的实验条件下得出的，有一定的限定条件和使用范围，对冲击射流内在的规律性的东西还缺少深刻的认识，对工程应用的指导作用还有待进一步加强；另外，在冲击射流的数值模拟方面[6-9]，尚未找到合适的湍流模型能完全有效地模拟冲击射流。国外学者Manca Oronzio[10]对几种常见的非稳态射流(典型周期性、组合周期性、突扩膨胀)进行了冲击换热的研究，对结果进行了分析，建立了一套进行非稳态射流冲击的实验系统。

从国内外研究现状可知，冲击换热过程复杂，国内外对封闭空间内火焰冲击换热机理有待进一步完善。因此，通过改变丙烷与空气流量、火焰与锅具之间的高度(下文简称高度)及火焰冲击角度(垂直夹角，下文简称角度)，来研究不同工况下的热效率与污染物的排放，从而进一步完善丙烷火焰冲击换热机理。

1 实验系统及方法

1.1 实验系统及装置

整个实验系统如图1所示，包括配气系统、燃烧器、锅具、烟气、标尺、烟气分析仪和热电偶温度采集器。其中，配气系统包括空气侧的空气泵、储气罐、空气净化器、质量流量控制器和燃气侧的丙烷储气罐、质量流量控制器。燃料为丙烷，纯度达99.9%。

图1 实验系统

1.2 实验参数

通过改变丙烷与空气的流量、高度和角度等参数，来研究丙烷火焰冲击换热的机理。实验参数如下：

丙烷流量分别为0.2 slm、0.3 slm、0.4 slm，空气流量分别为1.3 slm、1.7 slm、2.0 slm，高度分别为30 mm、40 mm、50 mm，角度分别为0°、15°、30°。

1.3 热效率测定及计算

实验中所用水量统一规定为1.5 kg，水的初温为30 ℃，水的末温为80 ℃。定义实测热效率为水的有效利用热与输入热量的比值。实测热效率由下式计算：

(1)

Q1=CP.H2OQ1=CP.H2O×mH2OΔT

(2)

Qr=Ly×Qar.net

(3)

其中，Q1和Qr分别为有效利用热和输入热量；Cp.H2O、mH2O、ΔT分别为水的比热、质量和加热前后的温差；Lv和Qar.net分别为燃气量和燃气的低热值，丙烷的低热值取 93 164 kJ·m-3。水的比热容为 4.2 kJ/(kg·℃)。

1.4 实验方法

1)实验开始前首先测量并记录室温，室温约20 ℃。

2)实验期间，每次实验保证燃烧器和锅具均冷却到室温。工质水温度达30 ℃时开始测温，温度达80 ℃时，测量结束。

3)实验结束时关闭所有控制阀，并对室内进行通风换气，计算热效率。烟气中NOX和CO的浓度通过Texto350烟气分析仪测定，按国家标准的要求，通入O2来调节CO的浓度，然后折算。

2 实验结果及分析

2.1 丙烷与空气流量对热效率及污染物排放的影响实验

以丙烷流量为0.3 slm、高度为50 mm与空气流量为1.3 slm、高度为40 mm为例，燃烧情况及其热效率与污染物排放如图2和图3所示。

图2 丙烷流量为0.3 slm，高度为50 mm，空气流量分别为1.3 slm、1.7 slm、2.0 slm(从左到右)燃烧情况及热效率与污染物排放

图3 空气流量为1.3 slm，高度为40 mm，丙烷流量分别为0.2 slm、0.3 slm、0.4 slm(从左到右)燃烧情况及热效率与污染物排放

由图2分析可知，随着空气系数增大，内焰逐渐降低，火焰面接触锅底面积变小，冲击换热效果变弱，热效率变小，CO与NOX排放符合标准。

由图3分析可知，随着丙烷流量增加，内焰逐渐升高，火焰面接触锅底面积变大，冲击换热效果变强，热效率变大，CO与NOX排放符合标准。

2.2 高度对热效率及污染物排放的影响实验

以丙烷流量为0.3 slm，空气流量为1.3 slm时改变高度的实验为例，燃烧情况及其热效率与污染物的排放如图4所示。

当高度为30 mm时，火焰面与锅底接触面积最大，热效率最高，同时CO排放也最多，高于国标要求0.05%，NOX排放符合国标要求。随着高度的增加，火焰与锅底接触面积减小，热效率降低。

2.3 角度对热效率及污染物排放的影响

以丙烷流量为0.3 slm，空气流量为1.3 slm，高度为40 mm时改变角度的实验为例，燃烧情况及其热效率与污染物排放如图5所示。

角度为0°时，热效率最高，随着角度增大到15°和30°时，火焰与锅底接触面积减小，热效率降低，角度15°和30°时，面向锅底一侧的火焰变成黄色，这说明炭黑增加，火焰对锅底照射面积增大时，辐射换热强度增大，不完全燃烧现象增强。

图4 丙烷流量为0.3 slm，空气流量为1.3slm，高度分别为30 mm、40 mm、50 mm(从左到右)燃烧情况及热效率与污染物排放

图5 丙烷流量为0.3 slm，空气流量为1.3slm，高度为40 mm，角度分别为0°、15°、30°(从左到右)燃烧情况及其热效率与污染物排放

2.4 实验结果及分析

表1和表2为不同工况时热效率与污染物的排放情况。从表1和表2可以看出，高度相同时，空气系数越小，越可以保持部分工况的热效率较高，对应CO排放越高，NOX排放相对较低。这说明大多数情况下，空气系数越小，火焰面与锅底接触面积越大，换热强度越高，火焰温度相对降低，不完全燃烧现象增强，CO增加，但NOX随温度降低而降低。

表1 不同工况下丙烷冲击换热的热效率

表2 不同工况下污染物的排放量

3 结 论

1)丙烷燃气流量不变时，增大空气系数，NOX增加，CO减小，热效率有3种变化，说明热效率与空气系数是非线性关系存在最佳值；

2)高度从最小增加到最大的过程中，热效率减小，NOX先增加再减小，CO排放量保持降低趋势，实验中观察到丙烷火焰的内焰顶部边缘接触锅具时热效率最高；

3)角度取为0°、15°、30°时，热效率逐渐降低、NOX和CO逐渐减小。污染物排放均在国家标准范围内。

[1]耿 铁，李德群，周华民，等.冲击射流及其强化换热的研究进展[J].机械设计与制造,2006(6):154-156.

[2]黎 军，田文栋，盛宏至，等.层流预混滞止火焰结构及传播速度实验研究[J].燃烧科学与技术，2000，6(3):210 -213.

[3]何学超,孙金华,丁以斌,等.90°弯曲管道对丙烷-空气预混火焰传播的影响[J].燃烧科学与技术,2010,16(3):241-245.

[4]薛治家,王建宇,胜 兴,等.距离可调燃气灶节能特性的实验研究[J].沈阳工程学院学报:自然科学版,2014,10(3):213-216.

[5]宋益军,程永元,蔡 崧.多孔喷流冲击换热实验结果及分析[J].工业炉,1998(1):4-8.

[6]李东生,吴建国.平面射流的数值模拟研究[J].冶金能源,2001,20(6):42-45.

[7]张令品,谢洪勇,陈 石.自定义标量法模拟丙烷燃烧过程[J].工程热物理学报,2007,28(Z2):169-172.

[8]王 宇,姚 强,王世昌,等.本生灯教学实验台改良及实验数据处理[J].实验技术与管理,2005,22(5):51-54

[9]王 磊,张靖周,杨卫华.密集型阵列冲击射流换热特性实验[J].航空动力学报,2009,24(6):1264-1269.

[10]Manca O,Mesolella P,Nardini S，et al.Numerical study of a confined slot impinging jet with nanofluids[J].Nanoscale Research Letters,2011,6(1):188.

(责任编辑张凯校对魏静敏)

ExperimentalStudyontheMechanismofPropaneFlameImpingementHeatTransfer

XUE Zhi-jia,XIA Yong-fang,XIA Chang,DUAN Ming-da,ZHAO Xue-shan

(School of Energy and Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Impingement heat transfer is a kind of efficient heat transfer enhancement,which is widely used in our daily life and military industrial production.The propane and air flow,the distance between the flame and the pot,and the impact angle are the important factors affecting propane flame impingement heat thermal efficiency and pollutant emissions.The experiment set 0.2,0.3,0.4slm propane flow,air flow rate of 1.3,1.7,30,40,2.0 slm,height 50mm,angle of 0 degrees and 15 degrees,30 degrees to conduct a propane flame impingement heat transfer experiment and to measure thermal efficiency and pollutant emissions.The experimental results showed that under the constant propane gas flow rate,as long as the air coefficient increases,the NOx would increase,the CO would decrease,and the thermal efficiency would have three changes.It showed that the thermal efficiency and the air coefficient were nonlinear and thermal efficiency had the best value.In the process of height turning to mix,thermal efficiency and NOx firstly increased and then decreased,and CO emissions kept a decreasing trend.It was observed that when the top edge of the inner flame propane flame touched Cookware，thermal efficiency reached the highest,and when angle to 0 degrees,15 degrees,30 degrees，thermal efficiency,NOx and CO decreased gradually.

Impingement heat transfer; Propane flame; Energy conservation; Thermal efficiency

2017-03-28

国家自然科学基金自助项目(51406123)

薛治家(1982-)，男，山东冠县人，讲师，博士研究生。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.005

O643.2

： A

： 1673-1603(2017)03-0217-06