產(chǎn)品詳情
多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的擴散燃燒
摘要：設(shè)計了多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機．進行了微生物質(zhì)燃燒機的擴散燃燒特性實驗研究，得到了其燃燒效率、出口尾氣溫度、壁面溫度和熱損失率隨燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律．實驗發(fā)現(xiàn)，在較寬的操作范圍內(nèi)，微生物質(zhì)燃燒機具有較高的燃燒效率和出口尾氣溫度，而且隨著燃燒功率和過量空氣系數(shù)的增大，微生物質(zhì)燃燒機的壁面溫度和熱損失率反而減?。治霰砻?，采用回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)相向的進氣方式，使得反應(yīng)氣體的流動方向與散熱方向相反，有效回收了熱量損失，提高了微生物質(zhì)燃燒機的熱效率和出口尾氣溫度．所設(shè)計的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機對開發(fā)微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)具有重要應(yīng)用價值．
徽燃燒透平系統(tǒng)[1-2]由于具有能量密度高、體積微小等優(yōu)點，可作為微動力系統(tǒng)為微型飛行器、微小衛(wèi)星等提供動力，或者作為微型電源為單兵系統(tǒng)或便攜電子設(shè)備等提供電能，因此，微燃嬈透平發(fā)電系統(tǒng)在、民用領(lǐng)域都具有重要的現(xiàn)實意義，是學(xué)術(shù)界研究的熱點問題之一．微生物質(zhì)燃燒機是微燃燒透平(50706046, 51176174)：河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計劃項目；杰出青年資助曹海亮等：多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的擴散燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵部件．隨著尺度的減小，微生物質(zhì)燃燒機的表面積體積比∞／功卻反比增加，導(dǎo)致微生物質(zhì)燃燒機的熱損失相應(yīng)地增大‘3]．在早期的實驗研究‘41中，微生物質(zhì)燃燒機的熱損失非常大，甚至超過70%，燃燒產(chǎn)生的熱能僅有少量轉(zhuǎn)換為電能，導(dǎo)致微燃燒透平系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率很低‘5]．因此，開發(fā)熱效率高、操作范圍寬、熱損失小的微生物質(zhì)燃燒機是開發(fā)微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵．
多孔介質(zhì)燃燒是一種新穎的燃燒方式，一些學(xué)者進行了多孔介質(zhì)的預(yù)混燃燒研究[6-7]．當(dāng)反應(yīng)氣體經(jīng)過多孔介質(zhì)材料時，與比熱容較大的多孔材料之間進行換熱，大幅度提高自身熱焓，實現(xiàn)超絕熱燃燒，因此多孔介質(zhì)燃燒具有燃燒效率高、燃燒強度高的優(yōu)點．因此，筆者結(jié)合了多孔介質(zhì)燃燒的優(yōu)點開發(fā)了新型多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機．
在基于微燃燒的微動力系統(tǒng)中，厘米級的外形體積導(dǎo)致了氣體通道非常短小，在較低的雷諾數(shù)下和較短的微小通道內(nèi)，燃料與空氣的混合非常困難，因此，目前學(xué)者進行的微燃燒的實驗研究大都避開了燃料和空氣混合的問題，而采用預(yù)混進氣考察微小尺度下微生物質(zhì)燃燒機的預(yù)混燃燒特性[8-10]．另一方面，受微燃燒室的加熱，在微通道內(nèi)氣體溫庋被顯著提高，燃料的最小熄火界限拓寬，預(yù)混氣體在微燃燒室前的氣體通道內(nèi)就可能燃燒．基于以上兩種因素，本實驗設(shè)計了空氣和氫氣分別進氣的新型微小多孔介質(zhì)回?zé)崛紵鳎M行了微小尺度下氫氣的擴散燃燒特性的實驗研究．
1 多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)和實驗系統(tǒng)
1.1 多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的三維結(jié)構(gòu)
微生物質(zhì)燃燒機的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外徑為@30 mm，高度為11 mm，氫氣通過周向均布的3根內(nèi)徑為痧1.5 mm的不銹鋼管進入氫氣環(huán)室，然后通過0.4 mm的環(huán)形間隙（氫氣噴嘴）噴入燃燒室．空氣通過周向均布的3根內(nèi)徑為痧1.5 mm的不銹鋼管進入間隙為0.5 mm的回?zé)釆A層，然后通過上下兩塊多孔介質(zhì)板相向噴入燃燒室，并與氫氣混合，實現(xiàn)擴散燃燒．微燃燒室的高度為5 mm，外徑為21 mm．在微燃燒室內(nèi)的氫氣噴嘴處安裝一點火電極，通過高壓放電實現(xiàn)點火．燃燒后的尾氣通過痧2.5 mm的尾氣出口噴出微生物質(zhì)燃燒機．為了防止空氣從多孔介質(zhì)板的中心區(qū)域直接短路流出生物質(zhì)燃燒機，強化空氣和氫氣的混合湍動程度，多孔板采用不同孔隙率的梯級分布，靠近中心區(qū)域的多孔介質(zhì)板的孔隙率較小，而靠近氫氣環(huán)形噴嘴的多孔介質(zhì)板的孔隙率較大．微生物質(zhì)燃燒機的材料為不銹鋼(OOCr17N114M02)．多孔介質(zhì)板則采用泡沫鎳板．
1.2實驗系統(tǒng)
圖2是多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機燃燒的實驗裝置系統(tǒng)示意，整個實驗系統(tǒng)由氣體質(zhì)量流量控制系統(tǒng)、多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和尾氣成分分析系統(tǒng)組成．氫氣和空氣分別經(jīng)過精密減壓閥和精密質(zhì)量流量控制器進入微生物質(zhì)燃燒機，氫氣和空氣的質(zhì)量流量測量均選用D07-19A型質(zhì)量流量控制器，測量精度均為±1% F.S．氫氣質(zhì)量流量控制器的量程為1SLM，為了適應(yīng)較大的空氣質(zhì)量流量測量范圍，采用量程分別為5 SLM和10 SLM的兩塊質(zhì)量流量控制器并聯(lián)來測量空氣的質(zhì)量流量．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用來測量微生物質(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度、生物質(zhì)燃燒機外壁面溫度和外界環(huán)境溫度．實驗采用美國Omega公司K型熱電偶絲點焊于微生物質(zhì)燃燒機的前后端面和環(huán)型側(cè)面，用于測量微生物質(zhì)燃燒機的外壁面溫度，熱電偶絲的直徑為0.254 mm，其測量精度為±0.5 K．在微生物質(zhì)燃燒機的尾氣出口孔中心，距端部1 mm處布置了一根K型熱電偶來測量出口尾氣溫度，該熱電偶固定在二維坐標(biāo)機上進行熱電偶的精確重復(fù)定位測量．實驗測量的壁面溫度和尾氣溫度通過Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀采集后存儲在計算機中．尾氣成分分析系統(tǒng)包括氣體采樣管、微型真空泵、干燥器、氣體采樣袋、
2實驗數(shù)據(jù)處相色譜儀組成．燃燒后的尾氣由微型真空泵抽出經(jīng)干燥器干燥后收集于氣體采樣袋中，采用GC-14C型島津氣相色譜儀對生物質(zhì)燃燒機的出口尾氣進行成分分析．
根據(jù)氮平衡原則，確定微生物質(zhì)燃燒機的燃燒效率77。為實驗測量了氫氣和空氣的體積流量，分別為VH、VAir進而可求出氫氣、空氣的質(zhì)量流量和過量空氣系數(shù)，即/T/H、/T/Ai，、甜．熱損失是考察微生物質(zhì)燃燒機熱性能的一個重要指標(biāo)，整個微生物質(zhì)燃燒機的熱損失包括微燃燒器外壁面與外界環(huán)境之間的自然對流熱損失Qn。和輻射熱損失Qr兩部分．根據(jù)測量的外壁面溫度來計算自然對流散熱和輻射散熱，由于生物質(zhì)燃燒機壁面溫度分布不均勻，生物質(zhì)燃燒機各個表面的自然對流散熱量和輻射散熱量采用平均壁面溫度來求解，各自壁面的對流換熱系數(shù)為
對多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機進行了氫氣流量分別為4.136xl0-4 g/s．5.791xl0-4 g/s、7.445 xl0-4g／s、8.273 xl0。4g／s下的微燃燒實驗研究，完全燃燒時所對應(yīng)的燃燒熱功率為50W、70 W、90 W和100 W．對每一種氫氣流量，進行了不同過量空氣系數(shù)下的燃燒實驗測量，得到了燃燒效率、出口尾氣溫度、燃燒室壁面溫度和熱損失率隨過量空氣系數(shù)、燃燒熱功率的變化規(guī)律．
經(jīng)冷凝和干燥后的采樣尾氣主要成分為氫氣、氧氣和氮氣，通過氣相色譜儀分析可得到各自的體積分?jǐn)?shù)，進而求出各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(H)、w(0)、w(N)．
3.1燃燒效率
燃?xì)馔钙降妮嗇S功率與燃燒室中氣體工質(zhì)的質(zhì)量流量和出口溫度成正比．為了提高微透平發(fā)電系統(tǒng)的輪軸功率和輪軸效率，對于一定質(zhì)量的燃料，微燃燒器應(yīng)該具有較高的燃燒效卒、出口尾氣溫度和較寬的燃燒運行界限，但這三者又互為制約．在微小尺度下，燃料在燃燒室內(nèi)的停留時間和燃燒反應(yīng)時間處于同一量級，停留時間過短將會導(dǎo)致燃料來不及燃燒而降低燃燒效率．對于一定質(zhì)量的燃料，過量空氣系數(shù)過高，導(dǎo)致燃?xì)赓|(zhì)量流量過大，縮短了氣體在微燃燒室中的停留時間，從而降低了微生物質(zhì)燃燒機的燃燒效率和出口尾氣溫度，最終降低了透平輪軸功率和輪軸效2011年10月曹海亮等：多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的擴散燃燒率；過量空氣系數(shù)過小，雖然可保證較高的燃燒效率和出口尾氣溫度，但會相應(yīng)減小燃?xì)獾馁|(zhì)量流量，降低透平的輪軸功率，同時過高的尾氣溫度會降低透平葉片材料的強度，從而導(dǎo)致透平轉(zhuǎn)子的破壞．因此，必須找出微生物質(zhì)燃燒機合適的燃燒操作范圍．
圖3是微生物質(zhì)燃燒機的燃燒效率77。隨燃燒熱功率P和過量空氣系數(shù)甜的變化曲線，從圖中可以看出，當(dāng)過量空氣系數(shù)凹<1.0時，燃燒效率低于100%，說明氫氣沒有完全燃燒．當(dāng)過量空氣系數(shù)位于1.5<凹<4.0時，4種工況下的燃燒效率幾乎均為100%．對于燃燒功率為100 W、過量空氣系數(shù)甜為4.5時，微生物質(zhì)燃燒機的燃燒效率仍然可達到98%．說明微生物質(zhì)燃燒機具有較高的燃燒效率和較寬的完全燃燒界限．當(dāng)過量空氣系數(shù)大于4.5時，燃燒效率開始逐漸下降．因此，所設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機在較寬的燃燒范圍內(nèi)具有較高的燃燒效率，尤其是在較高的過量空氣系數(shù)下，氫氣和空氣在微生物質(zhì)燃燒機仍然能夠完全燃燒．
3.2出口尾氣溫度
對于微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)，燃燒室出口尾氣溫度是決定燃燒透平效率高低的主要因素，尾氣溫度越高，微透平效率越高，系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率也越高，因此獲得較高的燃燒室尾氣溫度是微生物質(zhì)燃燒機設(shè)計和運行的主要目的．但另一方面，微燃燒室的出口尾氣溫度不能過高，其受到微透平材料的制約．對于轉(zhuǎn)速為幾萬甚至幾十萬轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)的微透平轉(zhuǎn)子，由離心力引起的拉應(yīng)力非常大．高溫下，金屬材料的許用應(yīng)力將顯著下降，這樣勢必降低微透平轉(zhuǎn)子工作的安全性．因此，微燃燒室出口尾氣溫度過高將會大大降低透平葉片材料的強度，不利于微透平的高速運轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時甚至?xí)龎娜~片．綜合兩方面因素可知，微燃燒室的尾氣溫度應(yīng)在滿足葉片強度的前提下盡可能地提高，這樣才能在保證葉片強度的前提下，盡可能地提高微透平效率．筆者所設(shè)計的微燃燒透平系統(tǒng)的微透平轉(zhuǎn)子的外徑為14 mm，在設(shè)計轉(zhuǎn)速為lxl05 r/min時，根據(jù)等厚度葉輪強度理論可求出微透平轉(zhuǎn)子的應(yīng)力為17.44 MPa，仍小于316不銹鋼在1000 K溫度下的許用應(yīng)力22 MPa，因此，微燃燒室出口尾氣溫度選為1000K比較理想．
圖4是不同燃燒熱功率P下微生物質(zhì)燃燒機出口尾氣溫度Tout陋過量空氣系數(shù)甜的變化關(guān)系．可以看出，隨著燃燒熱功率P的增大，微生物質(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度隨之增大，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.2時，生物質(zhì)燃燒機出口氣體溫度達到，隨著過量空氣系數(shù)的繼續(xù)增大，出口尾氣溫度開始逐漸降低．當(dāng)燃燒熱功率為100 W、過量空氣系數(shù)為1.2時，微生物質(zhì)燃燒機的出口溫度可達到1372 K．早期設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機的實驗研究‘4]得到，回?zé)嵝臀⑸镔|(zhì)燃燒機在分別進氣條件下，當(dāng)燃燒熱功率為52.2 W時，出口尾氣溫度約為916 K；燃燒熱功率為64.7 W時，出口尾氣溫度為1 005 K．本實驗中，燃燒熱功率為50W時，出口尾氣溫度已經(jīng)達到1093 K，燃燒熱功率為70 W時，出口尾氣溫度達到了1250 K．比較可知，采用回?zé)釆A層回?zé)峒夹g(shù)和多孔介質(zhì)板相向進氣組織方式的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度較原回?zé)嵝臀⑸镔|(zhì)燃燒機約提高200 K左右，因此，所設(shè)計的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機具有較高的熱性能，可顯著提高生物質(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度，從而提高微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的輪軸效率．這主要是因為多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機采用了回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)過濾燃燒的燃燒方式，空氣經(jīng)回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)板時，吸收了微燃燒室向外的散熱，提高了自身的溫度和熱焓，同時臧少了微燃燒室的向外散熱，起到了保溫作用，有效減少了熱量損失，使得更多的熱量用來加熱燃?xì)猓虼?，相同燃燒功率下，多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度有明顯提高．
另外，從圖4中還可以看出，設(shè)計燃燒功率為100 W時微生物質(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度在甜=4.0時達到1000 K左右，為的燃燒運行工況．
3.3外壁面溫度
圖5是微生物質(zhì)燃燒機的燃?xì)獬隹趥?cè)外壁面溫度Tw隨半徑尺的分布、燃燒熱功率P和過量空氣系數(shù)甜的變化關(guān)系．從圖中可以看出，在同樣的燃燒熱功率時，隨著過量空氣系數(shù)從1.0增大到4.0，微生物質(zhì)燃燒機的外壁面溫度持續(xù)降低，當(dāng)燃燒熱功率為100 W、過量空氣系數(shù)為凹= 4.5時，外壁面的平均溫度較低，僅為460 K，較其出口尾氣溫度低500 K左右．因此可看出，當(dāng)燃燒熱功率較高時，在保證有較高的出口尾氣溫度條件下，可獲得較低的壁面溫度，這樣可盡可
減少微生物質(zhì)燃燒機的壁面熱損失．
另外，從圖中可以看到一個奇怪的現(xiàn)象：隨著過量空氣系數(shù)的增大，燃燒熱功率較高的外壁面溫度下降幅度越大，甜從1.0增大到2.5的過程中，燃燒功率為100 W、90 W的外壁面溫度逐漸靠近70 W時的外壁面溫度；當(dāng)甜達到3.0時，90 W、100 W時的外壁溫度甚至低于70 W的外壁面溫度；當(dāng)甜在3.5～4.5之間時，100 W時的外壁面溫度反而低于90 W的外壁面溫度，而且均低于70 W的外壁面溫度，且逐漸趨于50 W的外壁面溫度；當(dāng)過量空氣系數(shù)5.0<凹<6.0時，微燃嬈器的外壁面溫度的分布趨于正常．
對于所設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機，在一定過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)，燃燒熱功率高的外壁面溫度反而較低，這一現(xiàn)象對于設(shè)計微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)來說是令人欣喜的．在高過量空氣系數(shù)下，燃燒熱功率較高時，微燃燒器的外壁面溫度反而更低，其相應(yīng)的向外熱損失也越小，意味著有更多的燃燒熱能將轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾臒崮埽瑢黠@提高微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的輪軸效率，因此所設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機爐在高燃燒熱功率和高過量空氣系數(shù)時具有較好的熱性能．
3.4熱損失率
將微生物質(zhì)燃燒機爐向外界環(huán)境的自然對流散熱Qn。和輻射散熱Qr的總和與燃燒熱功率P的比值定義為燃燒熱損失率，即是微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率7710ss隨燃燒熱功率P和過量空氣系數(shù)甜的變化關(guān)系，從圖中可以看出，當(dāng)燃燒功率一定時，隨著過量空氣系數(shù)的增大，微燃燒器的外壁面溫度先開始增大，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失也逐漸增大．當(dāng)過量空氣系數(shù)超過1.2后，隨著過量空氣系數(shù)的增大，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失開始逐漸減?。?dāng)燃燒熱功率為50W、甜=1.2時，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失為38.26%，較早期回?zé)嵝臀⑸镔|(zhì)燃燒機爐‘41在52.28 W時的熱損失率70%大犬降低，說明多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑷紵鞯臒釗p失明顯減少，意味著有更多的熱量轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾臒崮埽?br /> 另外從圖中可以明顯看出，燃燒熱功率越高，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失反而越小．對于設(shè)計燃燒熱功率為100 W，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率僅為34.8%，當(dāng)凹= 4.0時，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率僅為7.91%．因此，所設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機爐具有較低的熱損失率，特別是在高過量空氣系數(shù)下，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率非常小，意味著將有更多的燃燒熱用于提高燃?xì)獾臒犰屎蜏囟龋虼?，采用多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機爐將會顯著提高微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率．
3.5溫度場分析
多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機爐具有較高的燃燒效率和出口尾氣溫度，而且隨著燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)的增大，微生物質(zhì)燃燒機爐的外壁面溫度和熱損失率反而越低，這種現(xiàn)象是與其特殊的設(shè)計結(jié)構(gòu)和氣流組織方式密切相關(guān)的．采用Fluent6.3商業(yè)軟件對多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機爐內(nèi)的微小尺度燃燒進行了數(shù)值模擬，圖7是在燃燒熱功率P= 100W、過量空氣系數(shù)甜=3.0工況下微生物質(zhì)燃燒機爐內(nèi)部的溫度場等值線圖和矢量圖．從圖中可以看出，由于微燃燒室的上下兩側(cè)添加了不同孔隙率的多孔俞質(zhì)板，空氣進入0.5 mm寬的回?zé)釆A層中，分別繞上下兩層多孔介質(zhì)板相向向內(nèi)進入微燃燒室．氫氣從0.4 mm寬的氫氣噴嘴狹縫噴出后，上下噴射的空氣進行混合，形成了穩(wěn)定的燃燒高溫區(qū)．部分燃燒熱量經(jīng)多孔介質(zhì)板、回?zé)釆A層和生物質(zhì)燃燒機爐外壁向外散失，此方向與空氣相向向內(nèi)的流動方向剛好相反，這種特殊的氣流流動組織方式是導(dǎo)致微燃燒器在高燃燒熱功率和高過量空氣系數(shù)下的外壁面溫度和熱損失率反而更低的主要原因．從溫度場等值線圖可明顯看出，在微燃燒室內(nèi)部一側(cè)將近2.5 mm高的區(qū)域內(nèi)，燃?xì)鉁囟葟?800 K左右的高溫驟然下降到600 K左右，說明在此區(qū)域內(nèi)形成了較大的溫度梯度．空氣經(jīng)上下兩層多孔介質(zhì)平板后相向進入微燃燒室，其流動方向剛好與微生物質(zhì)燃燒機爐的損失熱量傳遞方向相反，在較小的區(qū)域內(nèi)形成了一層空氣薄膜，產(chǎn)生了較大的溫度梯度，起到了隔熱保溫的作用，明顯降低了燃燒熱量的向外散失．而且燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)越高，空氣流量越大，溫度梯度越大，向外散失的熱量越少，所以在高過量空氣系數(shù)和高燃燒熱功率時，微生物質(zhì)燃燒機爐的外壁面壁溫和熱損失率反而越低．
另外空氣經(jīng)回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)板時，會回收微物質(zhì)燃燒機爐的部分向外散熱，提高了自身的熱焓，實現(xiàn)了過量焓燃燒方式，明顯提高了燃燒反應(yīng)速率和燃燒效率，因此在較寬的燃燒操作范圍內(nèi)，微生物質(zhì)燃燒機爐具有較高的燃燒效率．隨著過量空氣系數(shù)的增大，空氣流量逐漸增大，空氣回收的熱量也相應(yīng)增多，導(dǎo)致微燃燒器的熱損失率逐漸降低．因此，由于微生物質(zhì)燃燒機爐采用了回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)板相向進氣的氣流組織方式，明顯降低了微生物質(zhì)燃燒機爐的壁面溫度和熱損失，而且隨著燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)的增大，壁面溫度和熱損失反而越小，說明所設(shè)計的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機爐具有燃燒效率高和熱損失率低的優(yōu)點．
4結(jié)論
設(shè)計了一種微型多孔介質(zhì)回?zé)嵘镔|(zhì)燃燒機爐，進行了其擴散燃燒特性實驗研究，考察了燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)對微生物質(zhì)燃燒機爐的燃燒效率、出口尾氣溫度、燃燒器外壁面溫度和熱損失的影響．
(1)所設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機爐在較寬的過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)具有較高的燃燒效率，而且具有較高的出口尾氣溫度，能夠滿足微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的需要．燃燒熱功率P= 100 W、甜=4.0時，微生物質(zhì)燃燒機爐的尾氣溫度達到1 000 K，是微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)較為理想的運工況．
(2)微生物質(zhì)燃燒機爐具有較低的外壁面溫度，而且在一定的燃燒界限內(nèi)，燃燒熱功率越高，過量空氣系數(shù)越大，微生物質(zhì)燃燒機爐的外璧面溫度越低．對于燃燒熱功率P= 100 W、甜=4.0時，微生物質(zhì)燃燒機爐的外壁面溫度僅為475 K左右．
(3)微生物質(zhì)燃燒機爐是一種低熱損生物質(zhì)燃燒機爐，燃燒熱功率越高，過量空氣系數(shù)越大，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率也越低，對于燃燒熱功率P =100 W、甜=4.0時，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率僅為7.91%．
摘要：設(shè)計了多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機．進行了微生物質(zhì)燃燒機的擴散燃燒特性實驗研究，得到了其燃燒效率、出口尾氣溫度、壁面溫度和熱損失率隨燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律．實驗發(fā)現(xiàn)，在較寬的操作范圍內(nèi)，微生物質(zhì)燃燒機具有較高的燃燒效率和出口尾氣溫度，而且隨著燃燒功率和過量空氣系數(shù)的增大，微生物質(zhì)燃燒機的壁面溫度和熱損失率反而減?。治霰砻?，采用回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)相向的進氣方式，使得反應(yīng)氣體的流動方向與散熱方向相反，有效回收了熱量損失，提高了微生物質(zhì)燃燒機的熱效率和出口尾氣溫度．所設(shè)計的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機對開發(fā)微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)具有重要應(yīng)用價值．
徽燃燒透平系統(tǒng)[1-2]由于具有能量密度高、體積微小等優(yōu)點，可作為微動力系統(tǒng)為微型飛行器、微小衛(wèi)星等提供動力，或者作為微型電源為單兵系統(tǒng)或便攜電子設(shè)備等提供電能，因此，微燃嬈透平發(fā)電系統(tǒng)在、民用領(lǐng)域都具有重要的現(xiàn)實意義，是學(xué)術(shù)界研究的熱點問題之一．微生物質(zhì)燃燒機是微燃燒透平(50706046, 51176174)：河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計劃項目；杰出青年資助曹海亮等：多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的擴散燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵部件．隨著尺度的減小，微生物質(zhì)燃燒機的表面積體積比∞／功卻反比增加，導(dǎo)致微生物質(zhì)燃燒機的熱損失相應(yīng)地增大‘3]．在早期的實驗研究‘41中，微生物質(zhì)燃燒機的熱損失非常大，甚至超過70%，燃燒產(chǎn)生的熱能僅有少量轉(zhuǎn)換為電能，導(dǎo)致微燃燒透平系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率很低‘5]．因此，開發(fā)熱效率高、操作范圍寬、熱損失小的微生物質(zhì)燃燒機是開發(fā)微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵．
多孔介質(zhì)燃燒是一種新穎的燃燒方式，一些學(xué)者進行了多孔介質(zhì)的預(yù)混燃燒研究[6-7]．當(dāng)反應(yīng)氣體經(jīng)過多孔介質(zhì)材料時，與比熱容較大的多孔材料之間進行換熱，大幅度提高自身熱焓，實現(xiàn)超絕熱燃燒，因此多孔介質(zhì)燃燒具有燃燒效率高、燃燒強度高的優(yōu)點．因此，筆者結(jié)合了多孔介質(zhì)燃燒的優(yōu)點開發(fā)了新型多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機．
在基于微燃燒的微動力系統(tǒng)中，厘米級的外形體積導(dǎo)致了氣體通道非常短小，在較低的雷諾數(shù)下和較短的微小通道內(nèi)，燃料與空氣的混合非常困難，因此，目前學(xué)者進行的微燃燒的實驗研究大都避開了燃料和空氣混合的問題，而采用預(yù)混進氣考察微小尺度下微生物質(zhì)燃燒機的預(yù)混燃燒特性[8-10]．另一方面，受微燃燒室的加熱，在微通道內(nèi)氣體溫庋被顯著提高，燃料的最小熄火界限拓寬，預(yù)混氣體在微燃燒室前的氣體通道內(nèi)就可能燃燒．基于以上兩種因素，本實驗設(shè)計了空氣和氫氣分別進氣的新型微小多孔介質(zhì)回?zé)崛紵鳎M行了微小尺度下氫氣的擴散燃燒特性的實驗研究．
1 多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)和實驗系統(tǒng)
1.1 多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的三維結(jié)構(gòu)
微生物質(zhì)燃燒機的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外徑為@30 mm，高度為11 mm，氫氣通過周向均布的3根內(nèi)徑為痧1.5 mm的不銹鋼管進入氫氣環(huán)室，然后通過0.4 mm的環(huán)形間隙（氫氣噴嘴）噴入燃燒室．空氣通過周向均布的3根內(nèi)徑為痧1.5 mm的不銹鋼管進入間隙為0.5 mm的回?zé)釆A層，然后通過上下兩塊多孔介質(zhì)板相向噴入燃燒室，并與氫氣混合，實現(xiàn)擴散燃燒．微燃燒室的高度為5 mm，外徑為21 mm．在微燃燒室內(nèi)的氫氣噴嘴處安裝一點火電極，通過高壓放電實現(xiàn)點火．燃燒后的尾氣通過痧2.5 mm的尾氣出口噴出微生物質(zhì)燃燒機．為了防止空氣從多孔介質(zhì)板的中心區(qū)域直接短路流出生物質(zhì)燃燒機，強化空氣和氫氣的混合湍動程度，多孔板采用不同孔隙率的梯級分布，靠近中心區(qū)域的多孔介質(zhì)板的孔隙率較小，而靠近氫氣環(huán)形噴嘴的多孔介質(zhì)板的孔隙率較大．微生物質(zhì)燃燒機的材料為不銹鋼(OOCr17N114M02)．多孔介質(zhì)板則采用泡沫鎳板．
1.2實驗系統(tǒng)
圖2是多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機燃燒的實驗裝置系統(tǒng)示意，整個實驗系統(tǒng)由氣體質(zhì)量流量控制系統(tǒng)、多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和尾氣成分分析系統(tǒng)組成．氫氣和空氣分別經(jīng)過精密減壓閥和精密質(zhì)量流量控制器進入微生物質(zhì)燃燒機，氫氣和空氣的質(zhì)量流量測量均選用D07-19A型質(zhì)量流量控制器，測量精度均為±1% F.S．氫氣質(zhì)量流量控制器的量程為1SLM，為了適應(yīng)較大的空氣質(zhì)量流量測量范圍，采用量程分別為5 SLM和10 SLM的兩塊質(zhì)量流量控制器并聯(lián)來測量空氣的質(zhì)量流量．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用來測量微生物質(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度、生物質(zhì)燃燒機外壁面溫度和外界環(huán)境溫度．實驗采用美國Omega公司K型熱電偶絲點焊于微生物質(zhì)燃燒機的前后端面和環(huán)型側(cè)面，用于測量微生物質(zhì)燃燒機的外壁面溫度，熱電偶絲的直徑為0.254 mm，其測量精度為±0.5 K．在微生物質(zhì)燃燒機的尾氣出口孔中心，距端部1 mm處布置了一根K型熱電偶來測量出口尾氣溫度，該熱電偶固定在二維坐標(biāo)機上進行熱電偶的精確重復(fù)定位測量．實驗測量的壁面溫度和尾氣溫度通過Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀采集后存儲在計算機中．尾氣成分分析系統(tǒng)包括氣體采樣管、微型真空泵、干燥器、氣體采樣袋、
2實驗數(shù)據(jù)處相色譜儀組成．燃燒后的尾氣由微型真空泵抽出經(jīng)干燥器干燥后收集于氣體采樣袋中，采用GC-14C型島津氣相色譜儀對生物質(zhì)燃燒機的出口尾氣進行成分分析．
根據(jù)氮平衡原則，確定微生物質(zhì)燃燒機的燃燒效率77。為實驗測量了氫氣和空氣的體積流量，分別為VH、VAir進而可求出氫氣、空氣的質(zhì)量流量和過量空氣系數(shù)，即/T/H、/T/Ai，、甜．熱損失是考察微生物質(zhì)燃燒機熱性能的一個重要指標(biāo)，整個微生物質(zhì)燃燒機的熱損失包括微燃燒器外壁面與外界環(huán)境之間的自然對流熱損失Qn。和輻射熱損失Qr兩部分．根據(jù)測量的外壁面溫度來計算自然對流散熱和輻射散熱，由于生物質(zhì)燃燒機壁面溫度分布不均勻，生物質(zhì)燃燒機各個表面的自然對流散熱量和輻射散熱量采用平均壁面溫度來求解，各自壁面的對流換熱系數(shù)為
對多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機進行了氫氣流量分別為4.136xl0-4 g/s．5.791xl0-4 g/s、7.445 xl0-4g／s、8.273 xl0。4g／s下的微燃燒實驗研究，完全燃燒時所對應(yīng)的燃燒熱功率為50W、70 W、90 W和100 W．對每一種氫氣流量，進行了不同過量空氣系數(shù)下的燃燒實驗測量，得到了燃燒效率、出口尾氣溫度、燃燒室壁面溫度和熱損失率隨過量空氣系數(shù)、燃燒熱功率的變化規(guī)律．
經(jīng)冷凝和干燥后的采樣尾氣主要成分為氫氣、氧氣和氮氣，通過氣相色譜儀分析可得到各自的體積分?jǐn)?shù)，進而求出各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(H)、w(0)、w(N)．
3.1燃燒效率
燃?xì)馔钙降妮嗇S功率與燃燒室中氣體工質(zhì)的質(zhì)量流量和出口溫度成正比．為了提高微透平發(fā)電系統(tǒng)的輪軸功率和輪軸效率，對于一定質(zhì)量的燃料，微燃燒器應(yīng)該具有較高的燃燒效卒、出口尾氣溫度和較寬的燃燒運行界限，但這三者又互為制約．在微小尺度下，燃料在燃燒室內(nèi)的停留時間和燃燒反應(yīng)時間處于同一量級，停留時間過短將會導(dǎo)致燃料來不及燃燒而降低燃燒效率．對于一定質(zhì)量的燃料，過量空氣系數(shù)過高，導(dǎo)致燃?xì)赓|(zhì)量流量過大，縮短了氣體在微燃燒室中的停留時間，從而降低了微生物質(zhì)燃燒機的燃燒效率和出口尾氣溫度，最終降低了透平輪軸功率和輪軸效2011年10月曹海亮等：多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的擴散燃燒率；過量空氣系數(shù)過小，雖然可保證較高的燃燒效率和出口尾氣溫度，但會相應(yīng)減小燃?xì)獾馁|(zhì)量流量，降低透平的輪軸功率，同時過高的尾氣溫度會降低透平葉片材料的強度，從而導(dǎo)致透平轉(zhuǎn)子的破壞．因此，必須找出微生物質(zhì)燃燒機合適的燃燒操作范圍．
圖3是微生物質(zhì)燃燒機的燃燒效率77。隨燃燒熱功率P和過量空氣系數(shù)甜的變化曲線，從圖中可以看出，當(dāng)過量空氣系數(shù)凹<1.0時，燃燒效率低于100%，說明氫氣沒有完全燃燒．當(dāng)過量空氣系數(shù)位于1.5<凹<4.0時，4種工況下的燃燒效率幾乎均為100%．對于燃燒功率為100 W、過量空氣系數(shù)甜為4.5時，微生物質(zhì)燃燒機的燃燒效率仍然可達到98%．說明微生物質(zhì)燃燒機具有較高的燃燒效率和較寬的完全燃燒界限．當(dāng)過量空氣系數(shù)大于4.5時，燃燒效率開始逐漸下降．因此，所設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機在較寬的燃燒范圍內(nèi)具有較高的燃燒效率，尤其是在較高的過量空氣系數(shù)下，氫氣和空氣在微生物質(zhì)燃燒機仍然能夠完全燃燒．
3.2出口尾氣溫度
對于微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)，燃燒室出口尾氣溫度是決定燃燒透平效率高低的主要因素，尾氣溫度越高，微透平效率越高，系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率也越高，因此獲得較高的燃燒室尾氣溫度是微生物質(zhì)燃燒機設(shè)計和運行的主要目的．但另一方面，微燃燒室的出口尾氣溫度不能過高，其受到微透平材料的制約．對于轉(zhuǎn)速為幾萬甚至幾十萬轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)的微透平轉(zhuǎn)子，由離心力引起的拉應(yīng)力非常大．高溫下，金屬材料的許用應(yīng)力將顯著下降，這樣勢必降低微透平轉(zhuǎn)子工作的安全性．因此，微燃燒室出口尾氣溫度過高將會大大降低透平葉片材料的強度，不利于微透平的高速運轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時甚至?xí)龎娜~片．綜合兩方面因素可知，微燃燒室的尾氣溫度應(yīng)在滿足葉片強度的前提下盡可能地提高，這樣才能在保證葉片強度的前提下，盡可能地提高微透平效率．筆者所設(shè)計的微燃燒透平系統(tǒng)的微透平轉(zhuǎn)子的外徑為14 mm，在設(shè)計轉(zhuǎn)速為lxl05 r/min時，根據(jù)等厚度葉輪強度理論可求出微透平轉(zhuǎn)子的應(yīng)力為17.44 MPa，仍小于316不銹鋼在1000 K溫度下的許用應(yīng)力22 MPa，因此，微燃燒室出口尾氣溫度選為1000K比較理想．
圖4是不同燃燒熱功率P下微生物質(zhì)燃燒機出口尾氣溫度Tout陋過量空氣系數(shù)甜的變化關(guān)系．可以看出，隨著燃燒熱功率P的增大，微生物質(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度隨之增大，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.2時，生物質(zhì)燃燒機出口氣體溫度達到，隨著過量空氣系數(shù)的繼續(xù)增大，出口尾氣溫度開始逐漸降低．當(dāng)燃燒熱功率為100 W、過量空氣系數(shù)為1.2時，微生物質(zhì)燃燒機的出口溫度可達到1372 K．早期設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機的實驗研究‘4]得到，回?zé)嵝臀⑸镔|(zhì)燃燒機在分別進氣條件下，當(dāng)燃燒熱功率為52.2 W時，出口尾氣溫度約為916 K；燃燒熱功率為64.7 W時，出口尾氣溫度為1 005 K．本實驗中，燃燒熱功率為50W時，出口尾氣溫度已經(jīng)達到1093 K，燃燒熱功率為70 W時，出口尾氣溫度達到了1250 K．比較可知，采用回?zé)釆A層回?zé)峒夹g(shù)和多孔介質(zhì)板相向進氣組織方式的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度較原回?zé)嵝臀⑸镔|(zhì)燃燒機約提高200 K左右，因此，所設(shè)計的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機具有較高的熱性能，可顯著提高生物質(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度，從而提高微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的輪軸效率．這主要是因為多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機采用了回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)過濾燃燒的燃燒方式，空氣經(jīng)回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)板時，吸收了微燃燒室向外的散熱，提高了自身的溫度和熱焓，同時臧少了微燃燒室的向外散熱，起到了保溫作用，有效減少了熱量損失，使得更多的熱量用來加熱燃?xì)猓虼?，相同燃燒功率下，多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度有明顯提高．
另外，從圖4中還可以看出，設(shè)計燃燒功率為100 W時微生物質(zhì)燃燒機的出口尾氣溫度在甜=4.0時達到1000 K左右，為的燃燒運行工況．
3.3外壁面溫度
圖5是微生物質(zhì)燃燒機的燃?xì)獬隹趥?cè)外壁面溫度Tw隨半徑尺的分布、燃燒熱功率P和過量空氣系數(shù)甜的變化關(guān)系．從圖中可以看出，在同樣的燃燒熱功率時，隨著過量空氣系數(shù)從1.0增大到4.0，微生物質(zhì)燃燒機的外壁面溫度持續(xù)降低，當(dāng)燃燒熱功率為100 W、過量空氣系數(shù)為凹= 4.5時，外壁面的平均溫度較低，僅為460 K，較其出口尾氣溫度低500 K左右．因此可看出，當(dāng)燃燒熱功率較高時，在保證有較高的出口尾氣溫度條件下，可獲得較低的壁面溫度，這樣可盡可
減少微生物質(zhì)燃燒機的壁面熱損失．
另外，從圖中可以看到一個奇怪的現(xiàn)象：隨著過量空氣系數(shù)的增大，燃燒熱功率較高的外壁面溫度下降幅度越大，甜從1.0增大到2.5的過程中，燃燒功率為100 W、90 W的外壁面溫度逐漸靠近70 W時的外壁面溫度；當(dāng)甜達到3.0時，90 W、100 W時的外壁溫度甚至低于70 W的外壁面溫度；當(dāng)甜在3.5～4.5之間時，100 W時的外壁面溫度反而低于90 W的外壁面溫度，而且均低于70 W的外壁面溫度，且逐漸趨于50 W的外壁面溫度；當(dāng)過量空氣系數(shù)5.0<凹<6.0時，微燃嬈器的外壁面溫度的分布趨于正常．
對于所設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機，在一定過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)，燃燒熱功率高的外壁面溫度反而較低，這一現(xiàn)象對于設(shè)計微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)來說是令人欣喜的．在高過量空氣系數(shù)下，燃燒熱功率較高時，微燃燒器的外壁面溫度反而更低，其相應(yīng)的向外熱損失也越小，意味著有更多的燃燒熱能將轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾臒崮埽瑢黠@提高微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的輪軸效率，因此所設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機爐在高燃燒熱功率和高過量空氣系數(shù)時具有較好的熱性能．
3.4熱損失率
將微生物質(zhì)燃燒機爐向外界環(huán)境的自然對流散熱Qn。和輻射散熱Qr的總和與燃燒熱功率P的比值定義為燃燒熱損失率，即是微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率7710ss隨燃燒熱功率P和過量空氣系數(shù)甜的變化關(guān)系，從圖中可以看出，當(dāng)燃燒功率一定時，隨著過量空氣系數(shù)的增大，微燃燒器的外壁面溫度先開始增大，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失也逐漸增大．當(dāng)過量空氣系數(shù)超過1.2后，隨著過量空氣系數(shù)的增大，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失開始逐漸減?。?dāng)燃燒熱功率為50W、甜=1.2時，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失為38.26%，較早期回?zé)嵝臀⑸镔|(zhì)燃燒機爐‘41在52.28 W時的熱損失率70%大犬降低，說明多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑷紵鞯臒釗p失明顯減少，意味著有更多的熱量轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾臒崮埽?br /> 另外從圖中可以明顯看出，燃燒熱功率越高，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失反而越小．對于設(shè)計燃燒熱功率為100 W，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率僅為34.8%，當(dāng)凹= 4.0時，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率僅為7.91%．因此，所設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機爐具有較低的熱損失率，特別是在高過量空氣系數(shù)下，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率非常小，意味著將有更多的燃燒熱用于提高燃?xì)獾臒犰屎蜏囟龋虼?，采用多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機爐將會顯著提高微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率．
3.5溫度場分析
多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機爐具有較高的燃燒效率和出口尾氣溫度，而且隨著燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)的增大，微生物質(zhì)燃燒機爐的外壁面溫度和熱損失率反而越低，這種現(xiàn)象是與其特殊的設(shè)計結(jié)構(gòu)和氣流組織方式密切相關(guān)的．采用Fluent6.3商業(yè)軟件對多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機爐內(nèi)的微小尺度燃燒進行了數(shù)值模擬，圖7是在燃燒熱功率P= 100W、過量空氣系數(shù)甜=3.0工況下微生物質(zhì)燃燒機爐內(nèi)部的溫度場等值線圖和矢量圖．從圖中可以看出，由于微燃燒室的上下兩側(cè)添加了不同孔隙率的多孔俞質(zhì)板，空氣進入0.5 mm寬的回?zé)釆A層中，分別繞上下兩層多孔介質(zhì)板相向向內(nèi)進入微燃燒室．氫氣從0.4 mm寬的氫氣噴嘴狹縫噴出后，上下噴射的空氣進行混合，形成了穩(wěn)定的燃燒高溫區(qū)．部分燃燒熱量經(jīng)多孔介質(zhì)板、回?zé)釆A層和生物質(zhì)燃燒機爐外壁向外散失，此方向與空氣相向向內(nèi)的流動方向剛好相反，這種特殊的氣流流動組織方式是導(dǎo)致微燃燒器在高燃燒熱功率和高過量空氣系數(shù)下的外壁面溫度和熱損失率反而更低的主要原因．從溫度場等值線圖可明顯看出，在微燃燒室內(nèi)部一側(cè)將近2.5 mm高的區(qū)域內(nèi)，燃?xì)鉁囟葟?800 K左右的高溫驟然下降到600 K左右，說明在此區(qū)域內(nèi)形成了較大的溫度梯度．空氣經(jīng)上下兩層多孔介質(zhì)平板后相向進入微燃燒室，其流動方向剛好與微生物質(zhì)燃燒機爐的損失熱量傳遞方向相反，在較小的區(qū)域內(nèi)形成了一層空氣薄膜，產(chǎn)生了較大的溫度梯度，起到了隔熱保溫的作用，明顯降低了燃燒熱量的向外散失．而且燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)越高，空氣流量越大，溫度梯度越大，向外散失的熱量越少，所以在高過量空氣系數(shù)和高燃燒熱功率時，微生物質(zhì)燃燒機爐的外壁面壁溫和熱損失率反而越低．
另外空氣經(jīng)回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)板時，會回收微物質(zhì)燃燒機爐的部分向外散熱，提高了自身的熱焓，實現(xiàn)了過量焓燃燒方式，明顯提高了燃燒反應(yīng)速率和燃燒效率，因此在較寬的燃燒操作范圍內(nèi)，微生物質(zhì)燃燒機爐具有較高的燃燒效率．隨著過量空氣系數(shù)的增大，空氣流量逐漸增大，空氣回收的熱量也相應(yīng)增多，導(dǎo)致微燃燒器的熱損失率逐漸降低．因此，由于微生物質(zhì)燃燒機爐采用了回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)板相向進氣的氣流組織方式，明顯降低了微生物質(zhì)燃燒機爐的壁面溫度和熱損失，而且隨著燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)的增大，壁面溫度和熱損失反而越小，說明所設(shè)計的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機爐具有燃燒效率高和熱損失率低的優(yōu)點．
4結(jié)論
設(shè)計了一種微型多孔介質(zhì)回?zé)嵘镔|(zhì)燃燒機爐，進行了其擴散燃燒特性實驗研究，考察了燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)對微生物質(zhì)燃燒機爐的燃燒效率、出口尾氣溫度、燃燒器外壁面溫度和熱損失的影響．
(1)所設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機爐在較寬的過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)具有較高的燃燒效率，而且具有較高的出口尾氣溫度，能夠滿足微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的需要．燃燒熱功率P= 100 W、甜=4.0時，微生物質(zhì)燃燒機爐的尾氣溫度達到1 000 K，是微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)較為理想的運工況．
(2)微生物質(zhì)燃燒機爐具有較低的外壁面溫度，而且在一定的燃燒界限內(nèi)，燃燒熱功率越高，過量空氣系數(shù)越大，微生物質(zhì)燃燒機爐的外璧面溫度越低．對于燃燒熱功率P= 100 W、甜=4.0時，微生物質(zhì)燃燒機爐的外壁面溫度僅為475 K左右．
(3)微生物質(zhì)燃燒機爐是一種低熱損生物質(zhì)燃燒機爐，燃燒熱功率越高，過量空氣系數(shù)越大，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率也越低，對于燃燒熱功率P =100 W、甜=4.0時，微生物質(zhì)燃燒機爐的熱損失率僅為7.91%．
(4)對微生物質(zhì)燃燒機爐內(nèi)部溫度場的分析表明，由于采用了回?zé)釆A層回?zé)峒夹g(shù)和多孔介質(zhì)板相向的進氣組織方式，使得多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機爐在高燃燒熱功率和高過量空氣系數(shù)下表現(xiàn)出良好的熱性能，所設(shè)計的微生物質(zhì)燃燒機爐是一種燃燒效率高、操作范圍寬、熱損失率低的微型生物質(zhì)燃燒機爐，是開發(fā)微透平發(fā)電系統(tǒng)理想的燃燒器．
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