小尺度雙網格荷電霧化燃燒器熱損失特性研究

甘云華 陳小文 李海鴿

(1.華南理工大學電力學院， 廣州 510640； 2.廣東省能源高效低污染轉化工程技術研究中心， 廣州 510640)

0 引言

制造技術的進步促進了設備微小型化發展，化學電池因儲能低、充電時間長等不足，成為設備微小型化發展的瓶頸之一。基于燃燒的微動力系統具有能量密度高等優點[1-5]，具有巨大的應用潛力。但尺寸減小也造成如燃燒困難、熱損失比例高等問題[6-10]。

微小尺度下燃燒熱損失是一個重要研究內容。LI等[11]以CH4為燃料研究了微管道熱損失，熱損失比例最高達22%，其中輻射熱損失占總熱損失的70%。LI等[12]以H2為燃料研究了多孔介質插入位置對平板燃燒器壁面輻射熱量的影響，壁面熱輻射比例在15%～23%。JU等[13]針對平行通道內火焰傳播的理論分析，得出了熱損失與火焰速度之間的關系及穩定燃燒下熱損失極值曲線。NORTON等[14]以C3H8為燃料研究了熱損失對火焰穩定性的影響，發現壁面材料導熱性能越好，火焰越偏向上游位置。YANG等[15]以H2為燃料研究壁面發射率與火焰吹裂極限的關系，隨著壁面發射率的降低，熱損失顯著減少，回流熱量增多。液體燃料存儲方便，比氣體燃料能量密度更高，但充分燃燒需要良好的霧化。本課題組在前期研究中，利用荷電霧化技術，研究了小尺度燃燒器內乙醇的霧化與燃燒，分析了不同荷電噴霧模式下乙醇燃燒效率與轉換效率[16-17]。

本文設計雙網格荷電噴霧燃燒器，以期實現液體乙醇在小尺度下的穩定燃燒，并分析不同工況下燃燒器熱損失特性。

1 實驗系統

圖1為實驗系統示意圖，主要包括干空氣供給系統、燃料供給系統、小尺度燃燒器、測量設備及數據采集系統，圖中虛線為信號傳輸線路。干空氣(20%O2/80%N2)通過減壓閥減壓后，由質量流量控制器(Brooks 5850E型，Brooks公司，美國，精確度±1%)調節進入燃燒器的空氣流量qair。無水乙醇流量qv通過步進式注射泵(KDS100型，Kdscientific公司，美國，精確度±1%)控制。噴管和環形電極電壓分別由2個高壓電源(71230P型，BOHER HV公司，中國，精確度±1%)提供。無水乙醇進入噴管后，施加在噴管和環形電極的電壓形成靜電場使乙醇破碎成霧滴，從而加快了乙醇的蒸發過程。S型鉑銠熱電偶(精確度±1%)用來測量火焰溫度與尾氣溫度?；鹧鏈囟葴y量截面選取火焰鋒面，測點取火焰中心及火焰半徑一半的同心圓上4點(每隔1/4圓弧選取1點)，共5個測點，將5個測點溫度的平均值作為火焰溫度，尾氣溫度測量采用相同的方法，尾氣溫度測量截面為燃燒器出口截面。熱電偶端部直徑0.30 mm，遠小于火焰直徑，可忽略測溫時熱電偶插入對火焰的影響?？紤]熱電偶自身輻射散熱的影響，對所測溫度進行修正處理，修正后測溫精度為±5 K。利用紅外熱像儀(PM595型，FLIR，美國，精確度±2%)測量燃燒器外壁面的溫度分布，測量區域為整個燃燒器。為降低測量誤差，在燃燒器表面覆蓋不透明黑漆增加表面發射率，經標定，外壁面發射率為0.9。利用氣相微量注射器在燃燒器內距出口5 mm處進行尾氣取樣，將取樣后的氣體注入氣相色譜儀(GC1690型，杭州科曉化工儀器設備有限公司，中國)，對尾氣中CO、CO2和N2的體積分數進行測定。

圖1 實驗系統示意圖Fig.1 Schematic of experiment system1.氣瓶 2.減壓閥 3.質量流量控制器 4.高壓電源1 5.高壓電源2 6.步進式注射泵 7.燃燒器 8.紅外熱像儀 9.熱電偶 10.數據采集儀 11.氣相色譜儀 12.計算機

圖2 小尺度燃燒器示意圖Fig.2 Schematic of small scale combustor1.噴管 2.環形電極 3.收集網格 4.燃燒網格

圖2為小尺度雙網格燃燒器示意圖。燃燒器整體呈圓柱狀。干空氣入口內徑為5.0 mm，燃料噴管內、外徑分別為0.9、1.2 mm，噴管頂端距環形電極距離為1.0 mm，環形電極厚度為5.0 mm。收集網格與燃燒網格間距為5.0 mm，網格厚度為0.5 mm。噴管、環形電極和網格均由不銹鋼材料制成。乙醇噴管接電壓Vc，環形電極接電壓Vr，收集網格接地極。該新型燃燒器結構緊湊，將荷電噴霧技術應用于小尺度下液體燃料的燃燒，實現了液體燃料良好的分散，加快了乙醇蒸發過程。在燃燒器出口處利用酒精燈點火，著火后立即撤除酒精燈，穩定火焰形成后進行實驗數據測量。

2 燃燒器壁面熱損失計算

2.1 燃燒器壁面熱損失計算

燃燒器壁面熱損失Qloss分為對流熱損失Qc和輻射熱損失Qr。紅外圖像中燃燒器所占像素為30像素×198像素，將每個像素對應區域的熱損失求解后求和即可得到壁面熱損失。

Qloss=Qc+Qr

(1)

其中

Qc=2∑hAi(Ti-T0)

(2)

(3)

h=λNu/d

(4)

式中h——對流傳熱系數Ai——第i區域面積Ti——第i區域溫度T0——環境溫度ε——壁面發射率σ——斯忒藩-玻爾茲曼常量Nu——努謝爾數d——燃燒器外徑λ——導熱系數

在紅外圖像中燃燒器壁面投影為矩形，實際形狀為圓柱形，因此在計算Ai時需要考慮投影問題，否則會造成散熱面積的縮小。投影與弧長轉換示意圖如圖3所示，如弧AB和弧BC在紅外圖像中分別對應線段AD和DE。利用三角關系可計算出每段弧對應的角度從而計算出弧長。

圖3 弧長轉換示意圖Fig.3 Schematic of arch length conversion

燃燒器呈圓柱狀，水平放置于開放空間，可根據橫圓柱大空間自然對流傳熱實驗關聯式[18]計算壁面與周圍空氣之間的對流傳熱系數

Nu=C(GrPr)n

(5)

其中

(6)

式中C、n——系數，橫圓柱大空間自然對流層流傳熱條件下，C取0.48，n取0.25

Gr——格拉曉夫數Pr——普朗特數

g——重力加速度αυ——體脹系數

Δt——壁面與環境溫差

ν——動力粘度a——熱擴散系數

2.2 壁面熱損失比例、燃燒效率、熱效率計算

燃燒器壁面熱損失比例ηloss為壁面熱損失Qloss與燃料完全燃燒所釋放熱量的比值[19]，計算公式為

(7)

其中

Qin=meHe

(8)

式中Qin——燃燒器輸入能量me——進入燃燒器的乙醇質量He——乙醇低位熱值

燃燒效率反映燃燒器內乙醇的燃燒情況。燃燒效率ηc的定義為燃燒過程實際釋放熱量與燃料完全燃燒釋放熱量之比[20]

(9)

其中

Qun=mCOHCO+mun,eHe

(10)

式中Qun——尾氣中未燃成分完全燃燒釋放熱量

mCO——尾氣中CO質量

mun,e——尾氣中乙醇質量

HCO——CO低位熱值

尾氣成分包含CO、CO2、N2、乙醇和水蒸氣，乙醇和水蒸氣在室溫(20℃)下會液化，不能直接通過氣相色譜儀測得，通過對CO、CO2、N2的測量，利用C、N元素守恒，計算尾氣中乙醇含量，從而計算出燃燒效率。

熱效率是評價燃燒器性能的重要指標。對于本實驗研究的燃燒器，將熱效率ηt定義為尾氣所攜帶的熱量與燃燒過程實際釋放的熱量之比[21]，根據能量守恒，尾氣所攜帶的熱量為燃燒過程實際釋放熱量減去壁面熱損失

(11)

3 實驗結果分析

圖4 火焰圖像和燃燒器外壁面紅外圖像Fig.4 Flame image and outer wall IR image

設置乙醇流量為4.00 mL/h，噴管電壓4.80 kV，環形電極電壓為1.25 kV，在該電壓組合下，噴霧處于錐-射流模式。通過調節干空氣流量改變當量比，進行了不同當量比下的燃燒實驗。在燃燒器尾部點火后，火焰呈淡藍色圓形薄片狀，附著于燃燒網格附近，在當量比Φ=1時，實驗中火焰圖像和紅外圖像如圖4所示。穩定工況下燃燒可持續進行，直至燃料耗盡，無需外部加熱。燃燒器在當量比Φ為0.85～1.40區間內穩定燃燒。火焰形狀穩定，火焰面平整，未觀測到液滴穿過火焰的現象。文獻[22]中所采用的單網格燃燒器偶爾會出現較大液滴直接穿過網格導致火焰抖動，不利于燃燒器的穩定工作，本燃燒器中雙網格結構有利于增強火焰穩定性。

3.1 火焰溫度與尾氣溫度

圖5為火焰溫度與尾氣溫度隨當量比變化曲線。由圖5可看出，火焰溫度隨著當量比增大先上升后下降，Φ=1時火焰溫度達到最高值1 197.38 K。尾氣溫度隨著當量比的增大而降低，尾氣溫度變化范圍為418.70～576.40 K。在Φ≤1時，火焰溫度隨當量比增加而上升，這是由于此時空氣處于過量狀態，隨著空氣流量降低，過量空氣減小，乙醇燃燒產生的熱量中用來加熱過量空氣的熱量減少，因此導致火焰溫度升高。Φ>1后，所供空氣量不足，乙醇無法完全燃燒，燃燒產熱量下降，從而引起火焰溫度下降，尾氣溫度也因此下降。但在Φ≤1時，尾氣溫度變化趨勢與火焰溫度變化趨勢相反，這是由于空氣流量增加導致火焰被吹向下游，尾氣通過壁面傳熱的距離縮短，空氣流量越高，火焰距離燃燒器出口越近，尾氣帶出的熱量越多，因此尾氣溫度在Φ≤1時隨著當量比的減小而升高。

圖5 不同當量比下火焰溫度與尾氣溫度Fig.5 Flame and exhausted gas temperatures at different equivalence ratios

3.2 燃燒器壁面熱損失

根據式(4)～(6)，結合燃燒器壁面溫度分布，經過計算，對流傳熱系數約為12.5 W/(m2·K)。文獻[23-24]在數值模擬時該參數取值介于10～20 W/(m2·K)。根據式(1)～(3)，可以基于紅外圖像計算出燃燒器的壁面熱損失。圖6表明燃燒器熱損失隨當量比增加而增大，熱損失由8.99 W增加至10.91 W，輻射熱損失高于對流熱損失，約占壁面熱損失的56%。在實驗中發現，火焰直徑不隨當量比改變而改變，與燃燒器內徑相當，約為12 mm。由于對燃燒器壁面采取了涂層處理，壁面不透明，因此只能觀測火焰的正視圖，火焰位置的軸向移動難以通過火焰圖像判斷。圖7給出了燃燒器壁面中軸線的溫度分布。收集網格和燃燒網格分別位于x為85、90 mm處。由圖7可看出，不同當量比下壁面最高溫度出現的位置不同，當量比越大，最高溫度出現的位置越靠近燃燒網格，說明火焰雖然附著于燃燒網格附近，但是隨著空氣流量的改變，火焰穩定位置亦改變，且空氣流量越大，火焰距燃燒網格越遠。這一趨勢如圖7中箭頭所示。這解釋了壁面熱損失的變化規律，當量比越小，火焰距燃燒器出口越近，因此燃燒產熱通過尾氣排出的比例增加，壁面熱損失越小。由圖7還可以發現，在燃燒網格下游位置，不同工況下壁面的溫度分布相差不大，但由于該區域溫度較高，是輻射熱損失的主要區域。燃燒網格上游是乙醇的霧化和蒸發區域，在當量比Φ>1時，火焰距離燃燒網格位置較近，且空氣流速降低，尾氣流出時間增加，導致燃燒產生的熱量更多地傳遞至燃燒器壁面，使壁面溫度較高。較高的壁面溫度有利于乙醇霧滴的蒸發，對燃燒產生促進作用，雖然當量比升高使化學反應受到限制，但液滴蒸發條件得到改善，燃料與空氣混合氣體的溫度升高，因此在燃料流量不變的情況下，火焰直徑在穩定燃燒區間內并不隨著當量比的改變而變化。

圖6 不同當量比下燃燒器壁面熱損失Fig.6 Heat losses at different equivalence ratios

3.3 壁面熱損失比例、燃燒效率與熱效率

不同當量比下壁面熱損失比例、燃燒效率與熱效率如圖8所示。壁面熱損失比例隨當量比增加而增加，壁面熱損失比例變化范圍為27.25%～33.08%。

圖7 壁面軸向溫度分布曲線Fig.7 Wall temperature distribution curves of centerline

圖8 不同當量比下壁面熱損失比例、燃燒效率與熱效率Fig.8 Proportion of wall heat loss, combustion efficiency and thermal efficiency at different equivalence ratios

燃燒效率在當量比Φ=1時達到最高，最高燃燒效率為93.26%。當量比從0.85增加到1.0，燃燒效率從90.67%升至93.26%，此時空氣流量大于乙醇完全燃燒所需流量，空氣流量增加導致流速增加，停留時間縮短，但是由于當量比變化范圍小，流速變化較小，因此燃燒效率一直保持在90%以上；當量比Φ>1后，燃燒效率下降較快，在Φ=1.40時僅為65.89%，空氣流量減少導致氧氣供應不足，受不完全燃燒的影響，此時尾氣中未燃的CO和乙醇含量升高。

熱效率隨當量比的增加而降低，熱效率變化范圍為49.80%～69.95%。在當量比Φ≤1范圍內，穩定在69%左右，此時壁面熱損失比例和燃燒效率隨當量比變化較小，因此熱效率基本不變。當量比

Φ>1范圍內，熱效率變化規律與燃燒效率變化趨勢相似，這是由于隨著當量比的增大，壁面熱損失比例增加較為平緩，而燃燒效率快速下降，由此導致了熱效率的快速下降。

4 結論

(1)雙網格燃燒器中火焰呈穩定的圓形薄片狀，不同當量比下火焰直徑保持不變，未觀測到液滴穿越網格對火焰造成影響，收集網格、燃燒網格分別對液滴收集和火焰穩定起到重要作用。

(2)火焰溫度隨當量比的增加先上升后下降，在當量比Φ=1時達到最大。受火焰位置的影響，尾氣溫度隨當量比的增加一直呈下降趨勢。

(3)壁面熱損失隨當量比的增加而增加，熱損失比例的范圍為27.25%～33.08%，停留時間增加導致壁面熱損失增加。輻射熱損失略高于對流熱損失，約占總熱損失的56%。

(4)燃燒效率隨當量比的增加先上升后下降，最高可達93.26%，實現了小尺度條件下乙醇的高效燃燒。

(5)燃燒器熱效率在Φ≤1的工況下約為69%；Φ>1后，隨著燃燒效率的下降和熱損失比例的升高，熱效率逐漸降低。

(6)設計的新型結構雙網格燃燒器可實現小尺度條件下乙醇的良好噴霧、蒸發與燃燒。

1 MARUTA K. Micro and mesoscale combustion[J].Proceedings of the Combustion Institute,2011,33(1):125-150.

2 KYRITSIS D C, ROYCHOUDHURY S, MCENALLY C S, et al. Mesoscale combustion: a first step towards liquid fueled batteries[J].Experimental Thermal and Fluid Science,2004,28(7):763-770.

3 JU Y G, MARUTA K. Microscale combustion: technology development and fundamental research[J].Progress in Energy and Combustion Science,2011,37(6):669-715.

4 潘劍鋒,劉啟勝,盧青波,等.催化微燃燒室內氫氣和氧氣預混合燃燒特性[J/OL].農業機械學報,2016,47(2):357-363.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20160247&flag=1.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.02.047. PAN Jianfeng,LIU Qisheng,LU Qingbo,et al.Combustion characteristic of premixed hydrogen/oxygen mixture in catalytic micro-combustor[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(2):357-363.(in Chinese)

5 NIKET S K, DIONISIOS G V. A review on microcombustion: fundamentals, devices and applications[J].Progress in Energy and Combustion Science,2012,38(3):321-359.

6 WAN J L, FAN A W, LIU Y, et al. Experimental investigation and numerical analysis on flame stabilization of CH4/air mixture in a mesoscale channel with wall cavities[J].Combustion and Flame,2015,162(4):1035-1045.

7 張力,閆云飛,李麗仙,等.微型燃燒器內甲烷預混催化燃燒的數值研究[J].化工學報,2009,60(3):627-633. ZHANG Li,YAN Yunfei,LI Lixian,et al. Numerical investigation of premixed catalytic combustion of methane in micro-combustor[J].CIESC Journal,2009,60(3): 627-633.(in Chinese)

8 邵霞,潘劍鋒,唐愛坤,等.微尺度催化燃燒表面反應對氣相反應的影響[J/OL].農業機械學報,2015,46(12):391-396.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20151253&flag=1.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2015.12.053. SHAO Xia,PAN Jianfeng,TANG Aikun,et al.Effects of surface reaction on gas phase reaction in micro channel[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2015,46(12):391-396.(in Chinese)

9 DAVID C, JEONGMIN A. Advances and challenges in the development of power-generation systems at small scales[J].Progress in Energy and Combustion Science,2011,37(5):583-610.

10 周俊虎,周靖松,楊衛娟,等. 平板式微燃燒器內二甲醚催化燃燒與動態火焰研究[J/OL].農業機械學報,2016,47(11):358-362,368.http:∥www.j-csam.org/jcsam/ch/reader/view_abstract.aspx?file_no=20161148&flag=1.DOI:10.6041/j.issn.1000-1298.2016.11.048. ZHOU Junhu,ZHOU Jingsong,YANG Weijuan,et al.Catalytic combustion and dynamic flame of dimethyl ether in quartz microchannels[J/OL].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47(11):358-362,368.(in Chinese)

11 LI J W, ZHONG B J. Experimental investigation on heat loss and combustion in methane/oxygen micro-tube combustor[J].Applied Thermal Engineering,2008,28(7):707-716.

12 LI J, CHOU S K, LI Z W, et al. Experimental investigation of porous media combustion in a planar micro-combustor[J]. Fuel,2010,89(3):708-715.

13 JU Y, CHOI C W. An analysis of sub-limit flame dynamics using opposite propagating flames in mesoscale channels[J]. Combustion and Flame, 2003,133(4):483-493.

14 NORTON D G, VLACHOS D G. A CFD study of propane/air microflame stability[J]. Combustion and Flame,2004,138(1):97-107.

15 YANG W, FAN A W, WAN J L, et al. Effect of external surface emissivity on flame-splitting limit in a micro cavity-combustor[J]. Applied Thermal Engineering,2015,83:8-15.

16 甘云華, 佟洋, 羅智斌. 乙醇在微尺度單電極燃燒器內的霧化與燃燒[J]. 化工學報, 2015, 66(11):4597-4602. GAN Yunhua, TONG Yang, LUO Zhibin. Electro-spraying and combustion of alcohol in micro-combustor with single electrode[J]. CIESC Journal,2015,66(11): 4597-4602.(in Chinese)

17 GAN Y H, TONG Y, JU Y G, et al. Experimental study on electro-spraying and combustion characteristics in meso-scale combustors[J].Energy Conversion and Management,2017,131:10-17.

18 YANG S M. Improvement of the basic correlating equations and transition criteria of natural convection heat transfer[J]. Heat Transfer—Asian Research,2001,30(4):293-300.

19 FAN A W, MINAEV S, KUMAR S,et al. Experimental study on flame pattern formation and combustion completeness in a radial microchannel[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering,2007,17(12):2398-2406.

20 JIANG L Q, ZHAO D Q, WANG X H, et al. Development of a self-thermal insulation miniature combustor[J]. Energy Conversion and Management,2009,50(5):1308-1313.

21 SPADACCINI C M, PECK J, WAITZ I A. Catalytic combustion systems for micro-scale gas turbine engines[J]. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power,2007,129(1):49-60.

22 YULIATI L, SEO T, MIKAMI M. Liquid-fuel combustion in a narrow tube using an electrospray technique[J]. Combustion and Flame,2012,159(1):462-464.

23 LIU Y, FAN A W, YAO H, et al. A numerical investigation on the effect of wall thermal conductivity on flame stability and combustion efficiency in a mesoscale channel filled with fibrous porous medium[J].Applied Thermal Engineering,2016,101:239-246.

24 JIANG D G, YANG W M, CHUA K J,et al. Thermal performance of micro-combustors with baffles for thermophotovoltaic system[J]. Applied Thermal Engineering,2013,61(2):670-677.