生物燃油燃燒機(jī)的設(shè)計及實驗研究

田仲富，王述洋

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱　150040)

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生物燃油燃燒機(jī)的設(shè)計及實驗研究

田仲富，王述洋

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱150040)

摘要：從工業(yè)用生物燃油燃燒機(jī)的機(jī)理、基本結(jié)構(gòu)、燃油供給系統(tǒng)、霧化噴嘴、霧化角、配風(fēng)系統(tǒng)以及點火裝置等方面對工業(yè)用生物燃油燃燒機(jī)進(jìn)行了計算和設(shè)計。利用FLUENT流體力學(xué)軟件分別從生物燃油的霧化和燃燒效果對所設(shè)計的燃燒機(jī)進(jìn)行了仿真實驗。結(jié)果表明：所設(shè)計的生物燃油燃燒機(jī)能夠滿足一般工業(yè)的用熱需求。

關(guān)鍵詞：生物燃油；燃燒機(jī)；仿真實驗；霧化效果

近年來，我國的經(jīng)濟(jì)處于快速發(fā)展階段，各類能源的消耗量也居于世界前列，已嚴(yán)重影響我國經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。因此，多方尋求能源供給渠道、開發(fā)挖掘使用各種可再生能源已成為解決這一問題的有效方式。其中生物燃油最有可能替代傳統(tǒng)化石燃料在工業(yè)生產(chǎn)中進(jìn)行供熱和供能。然而，現(xiàn)在市面上的燃油燃燒機(jī)多以化學(xué)燃料為主，因為不同燃油的理化特性差別較大，則在同樣的條件下，生物燃油不能在常規(guī)的燃油燃燒機(jī)中進(jìn)行充分的燃燒，這將是能源的巨大浪費(fèi)；另外，由于生物燃油在80°以上的溫度下，其黏度和溫度之間成正比關(guān)系，若這時溫度進(jìn)一步提高，在相應(yīng)的化學(xué)條件具備時，生物燃油各組分之間將發(fā)生聚合反應(yīng)，進(jìn)而形成分子量更大的化合物，其黏度會瞬間增大，隨著時間的累積形成結(jié)焦，最終將導(dǎo)致燃燒機(jī)油管堵塞甚至使整機(jī)燃油系統(tǒng)癱瘓。因此，開發(fā)一種能夠充分燃燒生物燃油、盡量避免燃油的特性對機(jī)器造成損壞的燃燒機(jī)顯得十分重要。

1工業(yè)用生物燃油燃燒機(jī)的機(jī)理

生物燃油燃燒機(jī)和普通燃油燃燒機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理相似，都是由供油系統(tǒng)、配風(fēng)系統(tǒng)、點火裝置和附屬機(jī)構(gòu)等組成。在燃油燃燒的過程中，首先將燃油噴成霧滴狀射流，在旋流或者靜止空氣介質(zhì)中燃燒，整個過程等同于氣體燃料的擴(kuò)散燃燒過程。由于生物燃油的性質(zhì)和化石液體燃料存在較大差別，其燃燒過程更復(fù)雜、燃燒更困難。為了使其能夠充分燃燒、節(jié)約能源、降低環(huán)境污染物的排放，設(shè)計一款適合生物燃油燃燒的工業(yè)用生物燃油燃燒機(jī)具有較大的社會、經(jīng)濟(jì)意義。

1.1生物燃油燃燒機(jī)基本結(jié)構(gòu)

為了滿足生物燃油高效、清潔燃燒的要求，生物燃油燃燒機(jī)的霧化能力相比傳統(tǒng)燃燒機(jī)要高，其結(jié)構(gòu)更緊湊，布局更合理。生物燃油燃燒機(jī)的工作原理與一般的燃油燃燒機(jī)相似。本研究參考國內(nèi)外先進(jìn)的燃油燃燒機(jī)，設(shè)計了適合生物燃油燃燒的大功率工業(yè)用生物燃油燃燒機(jī)，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該生物燃油燃燒機(jī)主要由燃油供給系統(tǒng)、噴嘴總成、配風(fēng)系統(tǒng)、點火裝置、動力單元以及附屬機(jī)構(gòu)等組成。

1.底座 ；2.點火系統(tǒng)；3.回流室；4.穩(wěn)焰裝置；5.噴頭總成；6.固定盤；7.旋流器；8.一次風(fēng)管道；9.閥門；10.二次風(fēng)管道；11.燃油供給系統(tǒng)；12.電動機(jī)；13.風(fēng)機(jī)

圖1工業(yè)用生物燃油燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.2生物燃油燃燒機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

在工業(yè)用生物燃油燃燒機(jī)設(shè)計過程中對節(jié)能減排和使用安全性等方面進(jìn)行了全面的考量。該生物燃油燃燒機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　生物燃油燃燒機(jī)的技術(shù)參數(shù)

2燃油供給系統(tǒng)的設(shè)計

2.1燃燒機(jī)油泵和油管設(shè)計

油管在生物燃油燃燒機(jī)中起到將油泵抽出的燃油輸送到噴嘴的作用，一般位于燃燒機(jī)內(nèi)部。由于生物燃油燃燒機(jī)在工作時燃油的壓力和流速都不大，并且考慮到成本的因素，本文選擇軟管作為燃燒機(jī)的主油管，其內(nèi)徑d的計算公式為

(1)

式中 ：Q為油管中燃油流量(m3/s)；ν為油管的允許流速(m/s)。

已知燃燒機(jī)噴油量為625 kg/h，生物燃油的密度為1 200 kg/m3，油管中燃油流量的計算公式為

(2)

式中： m為燃燒機(jī)噴油量(kg/h)； ρ為生物燃油的密度(kg/m3)。

將數(shù)據(jù)代入式(2)可得Q=1.446 8×10-4m3/s。對于軟管來講，其允許的流速不應(yīng)大于1.5m/s，本文選取1m/s。將以上數(shù)據(jù)代入式(1)可得油管的內(nèi)徑為13.53mm。查技術(shù)手冊，選取內(nèi)徑為15.7mm、外徑為21.3mm的鍍鋅不銹鋼軟管。

供油系統(tǒng)總的動力來源于油泵，因此油泵工作效率的好壞直接影響燃燒機(jī)燃油系統(tǒng)的穩(wěn)定。根據(jù)燃燒機(jī)所需要燃燒的能力，選取泊泰邦公司生產(chǎn)的2CY-1.08型齒輪油泵，其主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2　2CY-1.08型齒輪油泵主要技術(shù)參數(shù)

2.2生物燃油預(yù)熱系統(tǒng)設(shè)計

由于生物燃油自身的特性導(dǎo)致其直接進(jìn)行霧化燃燒比較困難，所以其在進(jìn)入噴油泵之前需要預(yù)熱，將其由室溫(25 ℃左右)升高到70～80 ℃后再由噴嘴噴出燃燒。本文主要采用電阻絲式加熱方法對其進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括熱電偶、自動控溫儀以及加熱器等。

圖2　生物燃油電阻絲式預(yù)熱系統(tǒng)示意圖

預(yù)熱器所做的功主要包括容器內(nèi)生物燃油加熱需求熱量Q1、生物燃油經(jīng)過容器表面和保溫層后損失的熱量Q2、容器自身加熱需求熱量Q3，即初始加熱所需要的熱量為

(3)

本文設(shè)計的預(yù)熱油箱尺寸為1 200 mm×1 200 mm×600 mm，故預(yù)熱油箱內(nèi)生物燃油加熱需求熱量為：

Q1=C1M1ΔT

(4)

式中:C1為生物燃油的比熱，為2.408 1 kJ/kg·K；M1為生物燃油的質(zhì)量(kg)；ΔT為生物燃油的溫差(K)。

在油箱中生物燃油質(zhì)量為864 kg，預(yù)熱后的生物燃油前后溫差為318 K，代入式(4)可知預(yù)熱油箱內(nèi)生物燃油需求熱量為661 633.6 kJ。已知鐵的比熱為0.504 kJ/kg·℃，油箱質(zhì)量為200 kg，同理可得容器自身加熱需求熱量為4 536 kJ。生物燃油經(jīng)過容器表面和保溫層后損失的熱量比例約為20%，所以生物燃油經(jīng)過容器表面和保溫層后損失的熱量為132 326.71 kJ，故初始加熱所需的熱量為798 496.27 kJ，即初始加熱的功率為 221 kW。

為保證生物燃油燃燒機(jī)正常運(yùn)行，生物燃油經(jīng)預(yù)熱后每小時需要輸出625 kg生物燃油，同時補(bǔ)充相同質(zhì)量的生物燃油進(jìn)入預(yù)熱油箱，所以每小時加熱補(bǔ)充的生物燃油所需要的熱量為478 611 kJ，即連續(xù)預(yù)熱工作過程中需要的功率為132 kW。初始加熱的功率大于工作時需要的功率，加熱器選擇的功率至少為221 kW。綜上，選擇加熱器的功率為221 kW。

2.3霧化噴嘴的設(shè)計

噴嘴是實現(xiàn)燃油霧化最簡單的裝置，是燃油燃燒機(jī)的關(guān)鍵設(shè)備之一，因此噴嘴的設(shè)計是燃燒機(jī)設(shè)計的關(guān)鍵。霧化噴嘴的直徑是其主要的工作參數(shù)，對噴嘴性能的影響也最大，其計算公式為

(5)

式中：dp為霧化噴嘴直徑(mm)；Bp為燃油流量(kg/s)；wp為燃油噴出速度(m/s)；ρ為生物燃油密度，取1 200 kg/m3。

生物燃油從霧化噴嘴噴出的速度wp計算方法為

(6)

式中：μ為生物燃油流速系數(shù)，取0.2；P0為燃油在噴嘴處的壓力(Pa)。

燃油通過油泵從油箱中被抽出，經(jīng)油管被送入噴嘴時有壓力的損失，所以燃油噴出的壓力P0應(yīng)為

(7)

式中：P為燃油初始壓力，取300 kPa；ΔP為壓力損失(Pa)。

燃油的壓力損失分為沿程壓力損失ΔP1和局部壓力損失ΔP2，即

(8)

經(jīng)計算ΔP1和ΔP2分別為11 903 Pa和1 200 Pa，因此可以計算出燃油在噴嘴處的壓力P0為

300 000-11 903-1 200=287 897Pa

將上述計算結(jié)果代入式(6)，可求得燃油在霧化噴嘴處的速度wp：

由式(5)可計算出霧化噴嘴的直徑dp：

一般情況下，工業(yè)燃燒機(jī)中的霧化噴嘴為防止堵塞，其直徑大于3 mm，但由于生物燃油在燃燒時易結(jié)焦，生物燃油燃燒機(jī)的霧化噴嘴的直徑以不小于4 mm為宜。

2.4霧化角的設(shè)計

簡單機(jī)械式霧化機(jī)的流量系數(shù)可以按式(9)計算。

(9)

式中：rp為噴嘴半徑(m)；p0為噴嘴入口處油壓(Pa)；ρ0為生物燃油的密度(kg/m3)；G為噴嘴的噴油量(kg/s)。

根據(jù)計算所得的參數(shù)，經(jīng)查閱相關(guān)手冊確定本設(shè)計中的霧化角θ為 98°。

3配風(fēng)器的設(shè)計

配風(fēng)器是決定燃油鍋爐、工業(yè)爐燃燒機(jī)燃燒好壞的第一個關(guān)鍵設(shè)備，它與噴嘴的供油量大小、噴霧錐角大小及噴霧特性密切相關(guān)。在不同燃燒階段或狀態(tài)必須保持恰當(dāng)?shù)娜剂?空氣比，以及不同燃燒區(qū)的燃料-空氣匹配才可保證燃料完全、穩(wěn)定燃燒。為滿足燃料燃燒的空氣量要求和壓力要求，本文選取離心式順向固定葉片風(fēng)機(jī)。

3.1二次風(fēng)管的確定

配風(fēng)器的通風(fēng)量V計算公式為

(10)

式中：Q為燃燒機(jī)的噴油量(kg/h)；Tk為熱空氣溫度，在設(shè)計時熱空氣溫度為200～300 ℃，本研究取Tk=200 ℃。將參數(shù)代入式(10)計算得V=1.92 m3/s。

由于配風(fēng)器出口風(fēng)速一般在35～60 m/s范圍內(nèi)，選定風(fēng)速為48 m/s，可以確定配風(fēng)器的出口截面積F為

(11)

式中w為配風(fēng)器出口風(fēng)速(m/s)。將V代入式(11)可得F=0.048 m2。所以風(fēng)口的直徑為

(12)

需要注意，對于旋流式配風(fēng)器，以上風(fēng)速通常是指喉口風(fēng)速，計算得出的截面積也就是喉口截面積。對于旋流式配風(fēng)器，可以有一個不大的擴(kuò)口。在一般情況下，擴(kuò)口角度不宜大于2×15°，給定喉口距離二次風(fēng)口距離為130 mm，所以二次風(fēng)管的直徑為320 mm。

3.2一次風(fēng)管的確定

對于軸向葉片式旋流器，一次風(fēng)為直通風(fēng)，約占總風(fēng)量的20%，所以進(jìn)入一次風(fēng)管的風(fēng)流量為

V1=V×20%=0.384m3/s

(13)

本研究設(shè)計油管為4個噴嘴，一次風(fēng)管也相應(yīng)變?yōu)?個管道，每個一次風(fēng)管的流量為V1/4，即0.096 m3/s。一次風(fēng)的風(fēng)速一般取30 m/s。將數(shù)據(jù)代入式(13)得每個風(fēng)管的面積為0.004 m2，即風(fēng)管入口處的直徑為71 mm。為了使一次風(fēng)管中的風(fēng)速在拉瓦管前達(dá)到高風(fēng)速，本文將風(fēng)管設(shè)計為錐型，靠近拉瓦管逐漸減小，在拉瓦管端口處變?yōu)?8 mm。

4點火裝置的設(shè)計

點火裝置在生物燃油燃燒機(jī)的設(shè)計過程中占據(jù)重要的位置，為生物燃油點燃提供了高溫點火源。在各種燃燒裝置中，除了內(nèi)燃機(jī)的柴油機(jī)采用壓燃的方式點火外，其余裝置都需要專門的點火裝置。目前，雖然應(yīng)用于各類燃燒裝置的點火方式和點火裝置種類多樣，但主要的點火方式仍然以直接點火和間接點火為主。本文為盡量減小燃燒室的復(fù)雜程度和有利于燃料的空氣動力學(xué)特性，選擇直接點火的方式。選用市場上較流行的飛達(dá)點火繼電器，其技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3　飛達(dá)點火繼電器技術(shù)參數(shù)

5生物燃油燃燒機(jī)仿真結(jié)果及分析

5.1生物燃油霧化計算結(jié)果與分析

1) 生物燃油霧化顆粒。生物燃油經(jīng)噴嘴噴射出后，霧化后的霧化粒徑分布效果如圖3所示。由圖3可以看出：生物燃油由4個噴嘴噴出；在霧化A區(qū)每個噴嘴噴出的油霧相互獨立；在霧化B區(qū)各油霧之間發(fā)生相互碰撞、擴(kuò)散；在霧化C區(qū)(即主燃區(qū))，經(jīng)過碰撞和擴(kuò)散之后，生物燃油油滴粒徑基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，油霧分布均勻，顆粒大小適中，霧化效果較好。由此可以看出：本文設(shè)計的生物燃油燃燒機(jī)4個噴嘴的位置布置合理，且噴口尺寸及霧化角的選擇有利于生物燃油的霧化。

2) 霧化后的生物燃油溫度分布。生物燃油霧化后的溫度場分布如圖4所示，單位為K。由圖4可知：生物燃油由噴嘴噴射后，其溫度在外圍保持較好，大約在473 K左右，說明配風(fēng)對生物燃油的溫度升高有較大影響。這是因為生物燃油經(jīng)霧化后，油滴顆粒細(xì)小，經(jīng)473 K的空氣吹過后，升溫迅速，這有利于加速生物燃油的蒸發(fā)，縮短生物燃油的預(yù)燃期。

圖3　霧化后的生物燃油霧化顆粒分布

圖4　霧化后的生物燃油溫度場分布

3) 霧化后的生物燃油速度分布。生物燃油霧化后的速度分布如圖5所示，單位為m/s。霧化后的生物燃油速度矢量圖如圖6所示，單位為m/s。由圖5可知：生物燃油由噴口噴出后速度最高，約為46 m/s，在回流區(qū)速度明顯降低，約為25.9 m/s；隨著軸向距離的增加，油滴速度逐漸減小。從圖6可以看出：生物燃油速度矢量穩(wěn)定，速度方向理想，有利于霧化。

圖5　霧化后的生物燃油速度場分布

圖6　霧化后的生物燃油速度矢量圖

5.2生物燃油燃燒計算結(jié)果與分析

1) 生物燃油燃燒速度分布。生物燃油在燃燒過程中其速度場分布如圖7所示，單位為m/s。將圖7與圖6比較可以看出：兩者速度場分布總體上基本一致，燃燒過程中也是噴口處速度較大，沿軸線方向上速度逐漸減小，其中軸線附近的速度較高。在燃燒速度場中，速度基本都在30 m/s以上，保證了生物燃油與助燃空氣能夠更加充分地混合，提高了生物燃油的燃燒效率。

2) 生物燃油燃燒壓力分布。生物燃油燃燒后燃燒機(jī)噴嘴部位的壓力場分布如圖8所示。由圖8可知：隨著生物燃油逐漸燃燒，燃燒機(jī)噴嘴處的壓力逐漸變大，最大壓力在166 Pa，壓力十分小，所以生物燃油燃燒機(jī)設(shè)計合理、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；在噴嘴出口不遠(yuǎn)處會出現(xiàn)負(fù)壓現(xiàn)象，生物燃油燃燒壓力最小值為-3.87 Pa，因為在此處形成了回流區(qū)，在此區(qū)域有不同程度的負(fù)壓，以卷吸燃燒室下游已燃高溫油氣回流到燃燒室上游 (即火焰根部)，利用回流的高溫油氣作為持續(xù)的點火源，使新鮮可燃混合物及時點燃以穩(wěn)定燃燒，同時負(fù)壓可以保證生物燃油與二次霧化空氣充分混合，提供充足的氧氣將生物燃油完全燃燒，提高燃燒效率。

圖7　生物燃油燃燒速度場分布

圖8　生物燃油燃燒壓力場分布

3) 生物燃油燃燒溫度分布。將生物燃油進(jìn)行模擬燃燒，得到燃燒后的生物燃油燃燒機(jī)中心截面溫度場分布和生物燃油燃燒機(jī)出口100 mm截面燃燒溫度云圖，分別如圖9、10所示。由圖9可知：生物燃油由噴嘴噴出后，最外層的生物燃油霧滴與二次風(fēng)(旋流風(fēng))迅速混合燃燒，隨著燃燒空氣和生物燃油不斷混合，為生物燃油燃燒提供了充足的霧化空氣，使生物燃油油霧逐漸升溫并被迅速點火。由圖10可以看出：生物燃油燃燒后的火焰溫度最高可達(dá)2 500 K，由于二次風(fēng)旋流吹入，對燃燒機(jī)出口壁面有效的保護(hù)，其壁面溫度為565 K，提高了燃燒機(jī)的使用壽命。燃燒機(jī)中心處溫度相對較低，且最低僅有667 K，其主要由于本研究所設(shè)計的燃燒機(jī)由4個噴嘴組成，在初始噴油時油霧會在燃燒機(jī)中心軸線處出現(xiàn)累積，使其不能充分燃燒。但由圖9可以看出：隨著噴油距離增加，燃燒機(jī)中心處的溫度將迅速提高到2 009 K，并且在燃燒機(jī)出口處生物燃油溫度基本穩(wěn)定在2 000 K左右，由此可知生物燃油在燃燒機(jī)出口附近基本燃燒完全。

圖9　生物燃油燃燒機(jī)中心截面溫度場分布

圖10　生物燃油燃燒機(jī)出口100 mm截面

6結(jié)束語

本文以節(jié)能減排、將生物燃油充分燃燒、降低生產(chǎn)成本為出發(fā)點，基于燃燒及熱動力學(xué)理論和霧化機(jī)理，通過生物燃油理化特性實驗對生物燃油的特性參數(shù)進(jìn)行了研究，并對影響霧化性能的參數(shù)進(jìn)行了分析，設(shè)計了一款適用于生物燃油燃燒的燃燒機(jī)。該燃燒機(jī)主要由燃油供給系統(tǒng)、噴嘴、供風(fēng)系統(tǒng)、燃油預(yù)熱系統(tǒng)以及點火裝置等組成。在燃燒機(jī)上布置4個直徑為4.59 mm、霧化角度為98°的噴嘴同時噴霧。同時為了縮短預(yù)燃期，利用燃油預(yù)熱系統(tǒng)將生物燃油由初始溫度升高到70 ℃。為了提高霧化效果，設(shè)置一次配風(fēng)和二次配風(fēng)的比例為1∶4，確定一次風(fēng)管道的內(nèi)徑為71 mm、二次風(fēng)管道為320 mm，并選定合適的點火裝置。利用FLUENT流體分析軟件對該燃燒機(jī)的霧化過程和燃燒過程進(jìn)行了仿真實驗。結(jié)果表明：在生物燃油霧化過程中，霧化粒徑均勻、顆粒大小適中，油霧速度高達(dá)46 m/s，且由噴嘴噴出的油霧溫度達(dá)473 K，有效地縮短了生物燃油的預(yù)燃期，且滿足設(shè)計要求。在燃燒過程中，燃燒后的生物燃油溫度可達(dá)2 500 K，達(dá)到了工程應(yīng)用的溫度需求。在回流區(qū)負(fù)壓(-3.87 Pa)的作用下，生物燃油與二次霧化空氣混合充分，進(jìn)而為生物燃油完全燃燒提供了充足的氧氣，提高了燃燒效率。

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(責(zé)任編輯劉舸)

Design and Simulation Experiment of Bio Fuel Ccombustion Engine

TIAN Zhong-fu, WANG Shu-yang

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract:A detailed calculation and design was carried out for industrial use of biomass fuel combustion machine from the industry with the mechanism of bio oil combustion machine, basic structure, fuel supply system, an atomizing nozzle, atomization angle and air distribution system and ignition device, etc. And simulation experiment was processed by using commercial CFD software FLUENT from the biological fuel atomization and combustion of the combustion engine respectively. Experimental results show that the design of bio oil combustion machine can meet the needs of the hot for industry in general.

Key words:bio fuel; combustion engine; simulation experiment; atomization effect

文章編號：1674-8425(2016)04-0053-07

中圖分類號：TK16

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.04.010

作者簡介：田仲富(1978—)，男，山東鄆城人，博士，講師，主要從事生物質(zhì)熱解氣化研究。

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51378096)；黑龍江省自然科學(xué)基金資助項目(C201244)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金資助項目(DL12BB01)

收稿日期：2015-11-28

引用格式：田仲富，王述洋.生物燃油燃燒機(jī)的設(shè)計及實驗研究[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué))，2016(4):53-59.

Citation format：TIAN Zhong-fu, WANG Shu-yang.Design and Simulation Experiment of Bio Fuel Ccombustion Engine[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(4):53-59.