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1、上海理工大学学报第23卷第3期J.UniversityofShanghaiforScienceandTechnologyVol.23No.32001文章编号:1007-6735(2001)03-0263-04脉动燃烧器及其尾管传热分析李保国(上海理工大学动力工程学院,上海200093)摘要开发研制了Helmholtz型膜片阀式脉动燃烧器及其实验数据采集系统,脉动燃烧器的功率为25kW,以液化石油气为燃料,其工作频率从60~105Hz可调.研究了脉动燃烧器燃烧室内压力及其尾管传热特性,结果表明,脉动流传热系数是非脉动流传热系数
2、的2.5~3.2倍.关键词脉动燃烧器;压力特性;传热系数中图分类号:TK223.2文献标识码A脉动燃烧是一种声振与燃烧相互耦合激励的周期性振荡燃烧过程.这种特殊的振荡燃烧过程,能够强化传热传质及动量传递过程.与传统燃烧器相比,脉动燃烧器具有燃烧效率高排放污染小自吸和尾管传热系数大等优点[1].近年来,脉动燃烧技术被应用在锅炉采暖化工分解与合成石灰水泥煅烧等工业生产中.尤其脉动燃烧器产生的高温高频脉动尾气流用于干燥,可使干燥速率提高2~3倍,是一种非常理想的干燥介质[2].但由于脉动燃烧机理的复杂性,目前还没有可靠设计图1脉动
3、燃烧器及其尾管传热实验装置理论,因而限制了该技术的普及应用.世界上只有Fig.1Experimentalinstallationofpulsecombustor欧美日本等少数几个国家对其机理及应用技术1.燃气流量计2.电磁阀3.燃气去耦室4.燃气阀5.燃烧室进行了研究.本文介绍了自行研制的脉动燃烧器,6.火花塞7.空气阀8.水冷却尾管9.温度计10.尾管并对其压力特性与尾管传热特性进行了研究.11.控制器12.吹扫风机13.空气去耦室1脉动燃烧装置脉动频率.热负荷通过改变燃气流量调节.在燃烧室上安装有压力传感器,可精确测量燃
4、烧室内的自行研制的脉动燃烧器为Helmholtz型膜片压力,并通过A/D变换由机算计进行数据采集处阀式,如图1所示.它主要由燃烧室尾管火花理[3].塞燃料供给系统和控制系统等组成,以液化石油脉动燃烧器工作原理在风机和燃气压力作气为燃料,功率为25kW.尾管由冷却段和排气段用下,空气燃气阀打开,空气和燃气进入燃烧室组成,冷却段长1m为双层管,内管直径为40mm,混合并由火花塞点燃,燃烧伴随着放热使燃烧室内外管直径为60mm,在内外管之间有6mm的间隙,温度压力升高,将空气燃气阀关闭,燃烧产物以冷却水通过该间隙由靠近燃烧室端进入
5、,从尾管的高速沿尾管排出.由于气流的惯性作用,使燃烧室另一端流出形成一个顺流换热器.排气段设计为分内产生负压,空气燃气阀被打开吸入新的空气和段组合式,可调节其长度以获得60~105Hz燃气,与此同时,尾管中的部分高温气体也返回燃烧室,重新点燃混合气,燃烧自动重复,不再需要外加点火和风机.收稿日期2001-07-25基金项目国家自然科学基金资助项目(59776037)作者简介李保国(1961-),男,副教授.264上海理工大学学报2001年第23卷流的换热系数.首先利用换热器的对数平均温差2试验结果与分析法计算尾管的总体传热系
6、数KQ2.1燃烧室内的压力特性K=(1)ADtm脉动燃烧器燃烧室内的压力是随时间周期性式中K总传热系数快速变化的,采用快速响应的压力传感器,可以获A传热面积Q传热量,Q=c×m×Dt得压力随时间的变化规律.通过对燃烧室内压力其中c水的比热波形分析,可深入认识脉动燃烧器运行的声学特性[4]m水流量和燃烧特性.Dt水进出口温差图2为燃烧室结构尺寸不变,燃气流量为0.9Dt-Dtm3/h,改变尾管长度时,采集到的燃烧室内压力变12Dt=mDt1化曲线.图2a为尾管长1.5m时脉动压力波形,脉动lnDt2频率为98Hz;最大峰值压力
7、为p=114.8kPa,最小max式中Dtm对数平均温差峰值压力p=93.7kPa.图2b为尾管长2.5m时的min脉动压力曲线,频率为68Hz,p=112.3kPa,Dt1Dt2进出水口端的烟气与冷却水max的温差pmin=93.2kPa.由图2可看出,脉动燃烧器燃烧室内算出K之后,可按下式计算脉动燃烧尾气流侧的换的压力是按正弦函数周期性变化的.随着尾管长热系数h度的增加,脉动频率和幅值减小.当尾管较短时,11d21d2d2=++ln(2)脉动压力振幅大频率高且燃烧器运行稳定;反Khd1hw2ld1之,压力振幅减小频率降低
8、,燃烧器运行稳定性式中h脉动气流侧对流换热系数变差.hw冷却水侧对流换热系数l管壁导热系数d1d2尾管内外径由式(2)计算脉动燃烧尾气流的换热系数h,需先求出冷却水侧的对流换热系数hw,根据试验测得冷却水流动的雷诺数Re为1083.5,故选用希德和泰特求得的圆管内层流换热准数关联式[5]1
