低濃度瓦斯脈動燃燒器尾管的換熱特性研究

袁隆基薛禎禎李　聰

1.中國礦業(yè)大學電力工程學院 2.太倉中科信息技術(shù)研究院

低濃度瓦斯脈動燃燒器尾管的換熱特性研究

袁隆基1薛禎禎1李聰2

1.中國礦業(yè)大學電力工程學院 2.太倉中科信息技術(shù)研究院

袁隆基等.低濃度瓦斯脈動燃燒器尾管的換熱特性研究.天然氣工業(yè)，2016，36（7）：93-97.

煤炭開采過程中濃度（體積分數(shù)，下同）低于8%的抽采瓦斯數(shù)量占整個抽采瓦斯總量的50%以上，該低濃度瓦斯處于爆炸濃度范圍，由于常規(guī)的燃燒方式很難將其安全高效利用，故通常都被直接排入大氣從而造成能源的極大浪費。為了達到節(jié)能減排的目的，將脈動燃燒技術(shù)與低濃度瓦斯燃燒利用相結(jié)合，建立了低濃度瓦斯脈動燃燒實驗平臺，著重對低濃度瓦斯脈動燃燒器尾管的換熱性能進行了實驗研究。結(jié)果表明：①低濃度瓦斯脈動燃燒的最佳頻率為82～92 Hz，相對應的燃燒器尾管長度為2.0～2.5 m；②燃燒器尾管傳熱系數(shù)隨著燃燒器熱負荷的增加而增大，但其增加值逐漸減少，換熱系數(shù)最終趨于定值；③隨著脈動燃燒器熱負荷的增加，燃燒器尾管脈動換熱強化比值下降；④脈動壓力振幅對尾管換熱系數(shù)有著較大的影響，尾管換熱系數(shù)隨著脈動壓力振幅的增大而增大。該研究成果對于優(yōu)化低濃度瓦斯脈動燃燒器設計、實現(xiàn)低濃度瓦斯的高效清潔燃燒利用具有參考作用。

低濃度瓦斯 脈動燃燒 燃燒器尾管 實驗研究 換熱性能 傳熱系數(shù) 優(yōu)化設計

目前低濃度瓦斯的燃燒利用還缺乏成熟的工業(yè)化技術(shù)［1-6］。脈動燃燒器作為一種能夠高效潔凈利用低濃度瓦斯的新方法，具有燃燒效率高、排放污染小、自吸和尾管傳熱系數(shù)大等優(yōu)點［7-8］，越來越受到青睞。為此筆者從節(jié)能減排的角度出發(fā)，利用脈動燃燒獨特的燃燒特性，在保證低濃度瓦斯穩(wěn)定燃燒的同時，從尾管煙氣換熱方面研究其尾管換熱機理以及脈動燃燒的影響因素。

1　瓦斯的脈動燃燒及換熱機理

瓦斯的主要成分是烷烴，其中甲烷（CH4）占絕大多數(shù)［9］。甲烷的化學燃燒反應是一個非常復雜的過程，而實驗研究的甲烷脈動燃燒屬于甲烷在空氣中的湍流射流擴散燃燒，火焰溫度為800～1 000 ℃，因此可以簡單地認為甲烷的化學燃燒反應是甲烷在較低溫度下進行氧化分解進而引發(fā)快速氧化的反應，其化學反應方程式如下：

可以看出，甲烷燃燒需要充足的氧氣，要想實現(xiàn)完全燃燒，必須使甲烷和空氣進行充分的混合。由流體力學知識可知［10］，對于圓管而言，影響其換熱的溫度梯度主要是在靠近壁面的邊界層，而脈動燃燒中氣流速度的脈動會使流體微團的徑向運動增強，促進流體微團徑向的摻混，加強流體換熱。當流體速度增大時，圓管中心流體速度的變化，將在黏性底層邊緣處產(chǎn)生類似“卷吸”的現(xiàn)象，形成大量尺寸較大的漩渦，這些漩渦在運動過程中又會分解為小尺寸的漩渦，并向管中心擴散，這些漩渦的形成和擴散會增強邊界層和主流層流體之間的摻混，促進熱量傳遞，從而提高對流換熱系數(shù)。因此，流體脈動強化換熱的機理，就在于在圓管壁面形成大量的漩渦，它們的存在增加了流體的擾動和摻混，漩渦產(chǎn)生得越多，流體的換熱效果就越好。

2　實驗研究

2.1實驗設計

在相關(guān)數(shù)值分析［11-12］及實驗［13］的基礎上建立了脈動瓦斯燃燒與傳熱實驗臺，實驗臺燃燒器功率設計為10 kW。研究表明影響脈動燃燒尾管換熱的主要因素有脈動頻率（f）、當量比（φ）和燃燒室的功率（Q）［14-15］，因而實驗以這3個參數(shù)為變量設計了對比實驗。當燃燒室尺寸固定時，脈動頻率的調(diào)節(jié)主要通過改變尾管長度來實現(xiàn)，實驗選取了4個頻率進行操作；當量比與瓦斯?jié)舛认鄬?，而脈動強度在瓦斯?jié)舛龋w積分數(shù)，下同）低于5%時較弱，換熱效果不是很理想，因而實驗選取3個略高于5%的瓦斯?jié)舛冗M行。實驗中3個變量的具體數(shù)值如表1所示。

表1　實驗設計變量值表

2.2實驗流程

低濃度瓦斯脈動燃燒實驗系統(tǒng)的構(gòu)成主要有：燃燒系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)、點火系統(tǒng)、壓力測量與采集系統(tǒng)、溫度測量系統(tǒng)、煙氣成分測量分析系統(tǒng)。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。首先，對瓦斯脈動燃燒實驗臺進行安全性檢查，確保管路中沒有漏氣，冷卻水管路完好，各測量儀器工作正常；然后利用助燃風機對燃燒室進行約1 min的吹掃，確保燃燒室暢通清潔。之后進行脈動燃燒實驗，其實驗過程為：首先打開燃氣管路上的減壓閥、電磁閥及空壓機管路上的針閥，按照事先計算好的流量調(diào)節(jié)閥門開度，并啟動點火裝置進行點火；當空（燃）氣閥的膜片撞擊閥體發(fā)出噼啪的撞擊聲，同時尾管產(chǎn)生轟隆的噪音時證明燃燒進入脈動狀態(tài)；當溫度和壓力5 min內(nèi)無明顯波動時，可以認為燃燒工況穩(wěn)定，此時開始監(jiān)測燃燒室溫度和壓力分布以及煙氣的成分變化。對于尾管換熱部分，主要記錄煙氣進出口溫度及冷卻水進出口溫度。

3　實驗結(jié)果及分析

3.1脈動頻率對換熱的影響

圖2、3分別是在不同瓦 斯流量下，脈動換熱系數(shù)、脈動強化換熱比與脈動頻率之間的關(guān)系。其中脈動強化換熱比為脈動時的換熱系數(shù)與穩(wěn)態(tài)流動下的煙氣換熱系數(shù)之比。

圖1　脈動燃燒實驗臺的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2　時脈動換熱系數(shù)隨頻率的變化圖

圖3　脈動強化換熱比與頻率的關(guān)系圖

從圖2、3可以看出隨著脈動頻率的增大，脈動換熱系數(shù)與脈動強化換熱比的變化趨勢是先增大，到達一定值后又減小。出現(xiàn)這種變化趨勢的原因是：隨著脈動頻率的增大，尾管煙氣壁面邊界層擾動增強，使邊界層變薄，溫度梯度增大，促進了熱量交熱，進而提高了對流面換熱系數(shù)，但當頻率增大到一定值后，煙氣流速變化加快，由于慣性的作用，流速得不到衰減就進入到下個周期，減弱了脈動強度，反而不利于換熱。因此，對于此結(jié)構(gòu)的脈動燃燒器，最佳頻率為82～92 Hz，也就是尾管長度為2.0～2.5 m。

圖4為不同當量比下?lián)Q熱系數(shù)與頻率的關(guān)系曲線，圖5為不同當量比下脈動強化換熱比與頻率的關(guān)系曲線。從圖4、5可以看出，3種低濃度瓦斯的脈動換熱系數(shù)隨著頻率的增加先增加后減少，并且在最佳脈動頻率范圍時，換熱系數(shù)最大，脈動強化換熱比也是如此。值得注意的是，當瓦斯?jié)舛鹊陀?%時，第一個測量點即頻率為75 Hz時，是沒有實驗值的，因為此時尾管長度為3.0 m，脈動頻率形成的壓力脈動與燃燒釋熱不在同一個相位上（-90°＜φ＜90°），燃燒過程和聲波傳播不能相互耦合和互相激勵，從而破壞了瑞利準則無法形成穩(wěn)定的脈動燃燒。無法形成穩(wěn)定的脈動燃燒主要是由于當量比很低時，燃燒室處于富氧狀態(tài)，熱釋放過分超前壓力波，不再驅(qū)動壓力脈動而熄火，因而需要減少尾管長度到2.5 m以增加脈動頻率，使熱釋放與壓力波在-90°＜φ＜90°范圍內(nèi)，脈動燃燒才得以在燃燒室內(nèi)進行。在實驗過程中，繼續(xù)減少當量比，即降低瓦斯?jié)舛?，當濃度低?%時，脈動燃燒就變得很不穩(wěn)定，因而實驗未采用更低濃度進行操作。

圖4　不同當量比下脈動燃燒換熱系數(shù)與頻率的關(guān)系圖

圖5　不同當量比下脈動強化比與頻率的關(guān)系圖

3.2熱負荷對換熱的影響

由上述實驗結(jié)果分析得知實驗臺的最佳脈動頻率為82～92 Hz，以脈動頻率為92 Hz為例，研究熱負荷變化對尾管換熱的影響，熱負荷的變化主要通過改變瓦斯流量實現(xiàn)（圖6、7）。

圖6　脈動頻率為92 Hz時換熱系數(shù)與瓦斯流量的關(guān)系圖

圖7　脈動頻率為92 Hz時強化換熱比與瓦斯流量的關(guān)系圖

從圖6可以看出，隨著瓦斯流量的增大，脈動換熱系數(shù)在提高。原因是隨著熱負荷的增加，脈動強度和振幅都在增大，能有效地破壞邊界層的形成，促使尾管管壁處生成大量的渦旋，頻率的增大又能加快渦旋的剝離和擴散，進入下一次漩渦的形成。當瓦斯流量達到2.5 m3/h時，脈動換熱系數(shù)不再隨瓦斯流量的增加而增加，逐漸趨于平緩。而圖7中，脈動強化換熱比的變化趨勢卻與圖6恰恰相反，這是因為隨著瓦斯流量的增大，燃燒強度加強，燃燒室溫度升高，脈動頻率也會增大，尾管中煙氣溫度升高、流速增大，煙氣平均雷諾數(shù)（Re）和普朗特數(shù)（Pr）增大，努賽爾數(shù)（Nu）升高，煙氣側(cè)的換熱系數(shù)增大。

3.3壓力振幅對換熱的影響

振幅的增加可通過改變過量空氣系數(shù)來實現(xiàn)，實驗操作時保持瓦斯流量不變，增大混合空氣量，也就是降低瓦斯的濃度，用參數(shù)當量比的概念來說就是減少當量比。為排除溫度的影響，從實驗數(shù)據(jù)來看，當脈動頻率為92 Hz，瓦斯流量為1 m3/h時，燃燒室內(nèi)溫度變化范圍最?。é＜50 ℃）（圖8）。振幅的增加強化了尾管煙氣的擾動，增加脈動的湍流度，促進了煙氣流體的換熱。

圖8　當量比與脈動換熱系數(shù)的關(guān)系圖

4　結(jié)論

1）試驗臺脈動燃燒的最佳脈動燃燒頻率為82～92 Hz，對應的尾管長度為2.0～2.5 m。

2）脈動換熱系數(shù)隨著熱負荷的增大而增加，并逐漸趨于一定的范圍，但是脈動強化換熱比卻在下降，這是因為熱負荷的增大導致尾管煙氣溫度升高、流速增大，穩(wěn)定換熱計算值增大產(chǎn)生的結(jié)果。

3）換熱系數(shù)隨著壓力振幅的增大（當量比的減?。┒黾?，是由于振幅的增大加強了對尾管煙氣邊界層的擾動，使流體流動紊流度增大，促進了熱量交換，提高了對流換熱系數(shù)。

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（修改回稿日期 2016-05-19 編 輯 何 明）

Heat transfer characteristics of the tail pipe in a low-concentration gas pulse combustor

Yuan Longji1， Xue Zhenzhen1， Li Cong2
（1. School of Electric Power Engineering， China University of Mining & Technology， Xuzhou， Jiangsu 221116， China； 2. Taicang Branch of China Academy of Information Technology， Taicang， Jiangsu 215400， China）
NATUR. GAS IND. VOLUME 36， ISSUE 7， pp.93-97， 7/25/2016. （ISSN 1000-0976； In Chinese）

In the process of coal mining， more than 50% of the extracted gas has a concentration （volume fraction， the same below） of less than 8%， which remains in the range of gas explosion. This part of gas can hardly be utilized safely and efficiently through conventional combustion， so it is usually emitted directly into the atmosphere， presenting a huge energy waste. For energy conservation and emission reduction， an experimental platform was established for the pulse combustion of low-concentration gas by combining the pulse combustion technology with the low-concentration gas combustion. This platform was used to test the heat transfer performance of the tail pipe in a low-concentration gas pulse combustor. It is shown that the optimal frequency for the pulse combustion of low-concentration gas varies in the range of 82-92 Hz and the corresponding length of the tail pipe is between 2 and 2.5 m. The heat transfer coefficient of the tail pipe increases as the heat loading of combustor increases， but its increasing rate declines gradually until it reaches a constant value. The pulse heat transfer enhancement ratio of the tail pipe decreases as the heat loading of the pulse combustor increases. The heat transfer coefficient of the tail pipe is more sensitive to the pulse pressure amplitude， and the former increases with the increase of the latter. The research results in this paper play a guiding role in optimizing the design of low-concentration gas pulse combustors and combusting and utilizing low-concentration gas efficiently in an environmentally-friendly way.

Low-concentration gas； Pulse combustion； Tail pipe of the combustor； Experimental study； Heat transfer performance； Heat transfer coefficient； Optimization design.

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.07.014

袁隆基，1970年生，副教授，博士；主要從事煤與煤層氣燃燒及應用的科研與教學工作。地址：（221116）江蘇省徐州市中國礦業(yè)大學電力工程學院。電話：13852097909。ORCID：0000-0002-8427-3385。E-mail：yuanlongjijs@sina.com