微型熱光電系統(tǒng)燃燒器結(jié)構(gòu)對(duì)燃燒過程的影響

李 博，吳 健，徐 斌，苗家軒，李 明

(河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院，河南洛陽471003)

0 引言

近幾年，隨著傳統(tǒng)化學(xué)電池越來越難以滿足電子元件長使用周期的性能需求，針對(duì)高能量密度、輕量化、結(jié)構(gòu)緊湊的動(dòng)力源的探索越來越多。由于HC 燃料本身擁有的高能量密度，因此，實(shí)現(xiàn)HC 燃料的能量轉(zhuǎn)化擁有廣闊的研究前景［1－2］。微型熱光電系統(tǒng)(MTPV)即是利用氣體燃料(HC 燃料)燃燒的熱能激發(fā)微型燃燒器的外壁面產(chǎn)生光輻射，并被光電元件接收直接轉(zhuǎn)換為電能的微型動(dòng)力裝置。其主要結(jié)構(gòu)包括微型燃燒器，可選擇波長輻射器和光電池組成。其能量密度高、工作時(shí)間長、沒有運(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)使其具有廣闊的應(yīng)用前景［3－5］。

作為系統(tǒng)總的能量源，強(qiáng)化燃燒過程對(duì)提高微型熱光電系統(tǒng)能量輸出和實(shí)現(xiàn)較低排放有重要的意義。文獻(xiàn)［6］分析了多孔介質(zhì)燃燒模型對(duì)微燃燒器燃燒過程的強(qiáng)化作用。文獻(xiàn)［7］提出的變孔隙率模型豐富了提高燃燒器燃燒強(qiáng)度的方法。文獻(xiàn)［8－9］分析了微燃燒器燃燒截面的突變對(duì)燃燒強(qiáng)度的增強(qiáng)作用。然而針對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)燃燒器燃燒過程及排放成分的研究并未在文獻(xiàn)中詳細(xì)說明。本文在此基礎(chǔ)上，使用4 種不同結(jié)構(gòu)形狀的微型燃燒器進(jìn)行試驗(yàn)，分析燃燒器結(jié)構(gòu)變化對(duì)內(nèi)部燃燒強(qiáng)度的影響，進(jìn)而分析外壁面溫度分布及排放成分的變化，為微型燃燒器的定型及微型熱光電系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)方法

使用CH4氣體作為燃料，純度為99.2%的工業(yè)O2作為助燃劑。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1 所示，圖2 為試驗(yàn)中使用的4 種不同結(jié)構(gòu)尺寸的微燃燒器。表1 為微型燃燒器結(jié)構(gòu)尺寸，材質(zhì)為Al2O3陶瓷。燃燒器內(nèi)部填充直徑為3 mm 陶瓷小球，孔隙率為0.4。試驗(yàn)中，氣體燃料流量通過MKS 質(zhì)量流量計(jì)控制，CH4/O2混合比為1∶ 1.5。

圖1 微型熱光電系統(tǒng)示意圖

燃燒狀況通過測(cè)量微燃燒器外壁面溫度的分布情況及煙氣成分進(jìn)行考察。本試驗(yàn)以紅外測(cè)溫儀為測(cè)溫儀器，在外壁面沿微燃燒器入口段軸線方向分別布置16 個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。煙氣成分通過收集冷卻再測(cè)試分析的辦法，使用testo-350XL 型煙氣分析儀對(duì)煙氣中的未燃HC、CO 進(jìn)行了測(cè)量，分析燃燒器內(nèi)燃燒狀況。試驗(yàn)中采用Avantes 公司生產(chǎn)的高靈敏度光譜分析儀對(duì)燃燒器表面光譜輻射強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。

表1 Al2O3 陶瓷管的編號(hào)及尺寸

圖2 試驗(yàn)條件下的不同結(jié)構(gòu)燃燒器

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 燃燒器壁面光譜輻射強(qiáng)度

根據(jù)著名的斯體芬－波爾茲曼定律，能量的輻射力與溫度的4 次方成正比。因此，當(dāng)輻射壁面溫度提高時(shí)，系統(tǒng)對(duì)外的光譜輻射強(qiáng)度會(huì)顯著增強(qiáng)。圖3 為氧化鋁材質(zhì)燃燒器在不同壁面溫度下的對(duì)外光譜輻射強(qiáng)度。由圖3 可以看出:隨著輻射表面溫度的提高，輻射強(qiáng)度隨之增大;當(dāng)輻射表面溫度小于1 000 K 時(shí)，輻射強(qiáng)度隨溫度升高而增大的幅度較小;當(dāng)輻射表面溫度高于1 000 K時(shí)，輻射強(qiáng)度隨溫度升高而增大的幅度明顯增大。同時(shí)，在本文測(cè)試條件下，對(duì)于Al2O3陶瓷材料而言，在1 600 ～2 000 nm 波長區(qū)域，輻射強(qiáng)度最大。因此，應(yīng)當(dāng)保證燃燒器輻射表面溫度在1 000 K以上，以保證有較高的輻射強(qiáng)度;同時(shí)，在選擇燃燒器材質(zhì)和熱光電轉(zhuǎn)換晶片時(shí)，應(yīng)選使燃燒器高強(qiáng)度輻射波長范圍與熱光電轉(zhuǎn)換晶片吸收輻射能力強(qiáng)的波長范圍一致，以保證較高的熱光電轉(zhuǎn)換效率［10］。

圖3 不同燃燒器形狀表面光譜輻射強(qiáng)度

2.2 燃燒器壁面溫度分布

燃燒器的壁面溫度主要取決于燃燒器內(nèi)部燃燒的反應(yīng)強(qiáng)度。即燃燒越充分越完善，放熱率越高，燃燒器壁面溫度自然就高。除此之外，壁面溫度分布還受到傳熱過程與散熱損失兩方面的影響。圖4 為在相同孔隙率ε 和甲烷氧氣混合比的條件下，不同形狀的燃燒器外壁面溫度沿燃燒器入口端軸線方向的分布情況。

圖4 不同結(jié)構(gòu)燃燒器壁面溫度的分布

(1)從燃燒器進(jìn)口端到出口端，壁面溫度呈現(xiàn)先升后降的變化。這表明燃料進(jìn)入燃燒器后燃燒放熱逐漸加劇，接近出口端時(shí)，燃燒放熱逐漸減弱直至排出燃燒器。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的燃燒器，出現(xiàn)壁面溫度峰值的位置有所不同，且與燃料流量有關(guān)。由圖4 可見:在流量為75 cm3/min 和150 cm3/min 時(shí)，平板2 型燃燒器壁面溫度峰值出現(xiàn)的最早，而圓管型燃燒器壁面溫度峰值出現(xiàn)在燃燒器的中后段，平板1型和方管型介于平板2 型和圓管型兩者之間。這是因?yàn)?盡管4 種結(jié)構(gòu)的燃燒器流通界面積基本相同，但由于圓管型燃燒器截面流通性較好，燃?xì)馔ㄟ^較為順暢，使得燃燒放熱較多地集中在接近出口端的中后段;而平板2 型的截面為矩形截面，且比較狹窄，流通性較差，燃燒放熱較多地集中在前段。由圖4b可見:隨著燃料流量的增大，燃?xì)饬魉儆兴龃?，使燃燒放熱也向出口端移?dòng)，平板1 型、方管型、圓管型壁面溫度峰值的位置均有所后移。因此，不同結(jié)構(gòu)的燃燒器在不同的燃料流量條件下，壁面溫度峰值出現(xiàn)的位置有所不同。

(2)采用多孔介質(zhì)燃燒方式，燃燒器內(nèi)部的傳熱過程包括導(dǎo)熱、換熱、輻射3 種能量傳遞方式，燃燒器外壁面溫度取決于燃料的燃燒放熱、傳熱和散熱損失的綜合作用。由圖4a 可見:在75 cm3/min 的燃料流量下，與平板2 型燃燒器相比，平板1 型燃燒器壁面溫度峰值較高，這是因?yàn)樵谳^小的燃料流量下，兩種平板型燃燒器燃料的燃燒均集中在中前段，盡管平板2 型燃燒器內(nèi)火焰中心距燃燒器外壁面較近，傳熱距離較小，熱量能迅速傳遞到外壁面，有助于壁面溫度提高，但由于平板2 型燃燒器的面容比較大，散熱損失較大，不利于燃燒器壁面保持高溫;而平板1 型燃燒器面容比相對(duì)較小，散熱損失小。因此，平板1 型燃燒器壁面溫度峰值較高。圓管型燃燒器的燃燒主要集中在中后段，雖然圓管型燃燒器面容比較小，但由于火焰中心距外壁面距離較大，傳熱距離較長，同時(shí)隨著燃?xì)饬鲃?dòng)，很快流出燃燒器，因而使得圓管型燃燒器壁面溫度峰值較平板2 型燃燒器低，而燃燒器出口處溫度較平板2 型燃燒器高。方管型燃燒器的情況介于平板型和圓管型之間。由圖4b 可見:當(dāng)流量增大后，平板2 型燃燒器雖然面容比較大，散熱損失較大，但由于燃料流量加大，燃燒量增大，且主要集中在燃燒器前段，使得平板2 型燃燒器的壁面溫度峰值最高，而中后段溫度下降加快。

表2 不同燃燒器壁面平均溫度 K

(3)由圖4a 和圖4b 比較可見:隨著燃料流量的增大，燃燒器外壁面溫度升高。表明燃料的流量增大，燃燒放熱量增加，使得壁面溫度提高。對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的燃燒器，由于燃燒、傳熱的不同，壁面溫度分布也不同。可以用平均溫度對(duì)不同結(jié)構(gòu)燃燒器的外壁面溫度高低進(jìn)行比較，表2 給出了不同結(jié)構(gòu)的燃燒器在不同的燃料流量條件下的壁面平均溫度。由表2 可見:平板1 型燃燒器壁面平均溫度最高，圓管型燃燒器壁面平均溫度最低;燃料流量為75 cm3/min時(shí)，壁面平均溫度都低于1 000 K;150 cm3/min 時(shí)，壁面平均溫度都高于1 000 K。

綜合以上分析，平板1 型燃燒器具有較好的溫度分布，平均溫度較高，可以獲得較高的輻射強(qiáng)度。

2.3 燃燒器煙氣HC、CO 分析

甲烷氣體在微型燃燒器中燃燒，其排氣主要污染物包括CO、HC，還有因氧氣中摻雜的少量氮?dú)舛a(chǎn)生的微量NOx 排放等［11］。由于燃燒器尺寸較小，燃燒空間有限，所以微型燃燒器煙氣中的CO、HC均為未完全燃燒的產(chǎn)物，其生成主要取決于含氧量、溫度、參與反應(yīng)的時(shí)間。表3 和表4 給出了不同結(jié)構(gòu)的燃燒器排氣中HC 和CO 的排放值。

表3 不同形狀燃燒器的未燃HC 排放量 mg/L

表4 不同形狀燃燒器的CO 排放量 mg/L

由表3 和表4 可見:

(1)不同結(jié)構(gòu)的燃燒器HC 和CO 的排放不同，圓管型結(jié)構(gòu)HC 和CO 的排放較高，而兩種平板型結(jié)構(gòu)HC 和CO 排放較低。對(duì)平板型燃燒器，由于其燃燒集中在中前部，且燃燒溫度較高，參與燃燒反應(yīng)的燃料量多，未燃的燃料在后面的流動(dòng)過程中仍可繼續(xù)燃燒反應(yīng)，因而在流出燃燒器時(shí)，排煙中的HC 和CO 含量較少;對(duì)于圓管型燃燒器，由于其燃燒過程主要集中在燃燒器的中后部，燃燒溫度較低，燃燒放熱速度相對(duì)較慢，且由于離燃燒器出口較近，未燃燃料在燃燒器內(nèi)停留時(shí)間較短，使得較多的燃燒中間產(chǎn)物未能繼續(xù)進(jìn)行燃燒反應(yīng)，排出燃燒器，因而導(dǎo)致燃燒器排氣中HC 和CO 含量較多。

(2)燃料流量會(huì)影響燃燒器排氣中HC 和CO 的排放。燃料流量為75 cm3/min 時(shí)，由于燃燒溫度較低，燃燒反應(yīng)速度較慢，有較多的燃燒中間產(chǎn)物HC 和CO 排出燃燒器;燃料流量為150 cm3/min 時(shí)，燃燒溫度提高，燃燒反應(yīng)速度加快，盡管燃?xì)饬鲃?dòng)速度加快，但由于燃燒器溫度較高，燃?xì)庵形赐耆紵腍C 和CO 能夠在排出前繼續(xù)反應(yīng)，使燃燒器排氣中HC 和CO 的排放量降低。從試驗(yàn)結(jié)果看，平板1 型燃燒器HC 和CO 的排放最低。

3 結(jié)論

(1)試驗(yàn)結(jié)果證明微型燃燒器結(jié)構(gòu)形狀不同，其面容比和火焰中心到壁面的傳熱距離不同，都會(huì)影響到燃燒器外壁面的溫度分布;而較高的壁面溫度可以獲得較強(qiáng)的輻射力。平板1 型燃燒器在試驗(yàn)的4 種形狀燃燒器中，其外壁面平均溫度最高。

(2)燃燒器的結(jié)構(gòu)形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)會(huì)影響到燃料在燃燒器內(nèi)的燃燒過程，燃燒集中在燃燒器的中部，可以獲得較為理想燃燒器壁面溫度分布，提高壁面平均溫度。

(3)燃燒器排氣中CO 和HC 成分反映了燃燒器內(nèi)部燃燒反應(yīng)的進(jìn)行情況。燃燒器的結(jié)構(gòu)形狀及結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化通過影響燃燒器內(nèi)的燃燒過程，進(jìn)而影響排氣中CO 和HC 含量。平板1 型燃燒器CO和HC 排放較低。

(4)燃料流量也會(huì)影響燃燒器外壁面溫度以及排氣中CO 和HC 含量，應(yīng)保證足夠的燃料流量，以保證較高的燃燒溫度，既可以獲得較高的壁面溫度，保證較高壁面輻射力，又可以促進(jìn)燃燒過程，降低CO 和HC 排放。

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