雙級(jí)全預(yù)混燃?xì)庠钜淦鞯睦碚摲治?/h1>
2018-11-01 05:21:28沈金晨
機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程 2018年10期
沈金晨，蘇 磊
(南京工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)
與傳統(tǒng)大氣式燃?xì)庠钕啾?，全預(yù)混燃?xì)庠钅軐?shí)現(xiàn)燃?xì)夂涂諝獾娜A(yù)混燃燒，從而使火焰溫度和熱效率提高，同時(shí)減少CO和NOx的排放量，因此受到很多學(xué)者的重視[1-3]。全預(yù)混引射器可實(shí)現(xiàn)燃?xì)馀c其完全燃燒所需空氣的充分預(yù)混，是全預(yù)混燃?xì)庠畹闹匾M成部件，因此研究和開(kāi)發(fā)全預(yù)混引射器是全預(yù)混燃?xì)庠钛芯亢蛻?yīng)用中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
目前，關(guān)于單級(jí)引射器性能的研究較多，許多學(xué)者對(duì)引射器的混合特性、引射器特性方程及引射器的可調(diào)性等進(jìn)行了研究[4-7]。陳輝等[8]研究了工作流體壓力對(duì)引射器性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加工作流體的壓力可以增大引射系數(shù)，但是當(dāng)工作流體壓力超過(guò)臨界值后，繼續(xù)增加反而會(huì)引起引射系數(shù)的下降。宋力釗等[9]研究了幾何參數(shù)對(duì)引射器性能的影響，結(jié)果表明，在一定工況下存在一最佳的喉部和混合管直徑使引射系數(shù)最大。
雙級(jí)引射器通過(guò)階段性引射[10]有利于實(shí)現(xiàn)燃?xì)馀c空氣的全預(yù)混，目前對(duì)雙級(jí)引射器應(yīng)用于燃?xì)庠钌系难芯窟€相對(duì)較少。童偉明等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了單、雙級(jí)引射低壓加熱器性能的優(yōu)劣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙級(jí)引射器的引射系數(shù)比單級(jí)引射器的引射系數(shù)提高了120%，雙級(jí)引射器在綜合性能上比單級(jí)引射器要好。
本文提出了一種新的雙級(jí)全預(yù)混燃?xì)庠钜淦鞯慕Y(jié)構(gòu)。以3.5 kW燃燒功率的民用天然氣燃?xì)庠顬槔?，在天然氣壓力和天然氣額定流量確定的情況下，進(jìn)行了雙級(jí)引射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論建模，分析雙級(jí)引射比、截面比和引射壓差對(duì)引射器性能的影響。
1 理論模型
雙級(jí)引射器本質(zhì)上是單級(jí)引射器的重復(fù)，為方便敘述，現(xiàn)以單級(jí)引射器的理論模型為例，介紹雙級(jí)引射器建模方法。單級(jí)引射器主要由噴嘴、吸入室、混合管和擴(kuò)壓管組成，圖1為單級(jí)引射器結(jié)構(gòu)示意圖。
1—噴嘴；2—吸入室；3—混合管；4—擴(kuò)壓管
1.1 噴嘴
設(shè)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)為可逆絕熱過(guò)程，理論描述如下：
(1)
(2)
噴嘴出口引射流體的實(shí)際流速cf1為：
(3)
式中：T0,T1分別為噴嘴進(jìn)口、出口引射流體溫度，K；P0,P1分別為噴嘴進(jìn)口、出口引射流體壓力，Pa；k為引射流體絕熱指數(shù)；cp為引射流體定壓比熱容，kJ/(kg·K)；cf0為噴嘴進(jìn)口引射流體流速，m/s；φ為不可逆流動(dòng)的速度修正系數(shù)，一般取0.92～0.98。
1.2 吸收室和混合管
引射器混合段的內(nèi)部氣體混合過(guò)程十分復(fù)雜，需通過(guò)動(dòng)量守恒、連續(xù)性方程和能量守恒定律來(lái)進(jìn)行理論分析，根據(jù)過(guò)程特點(diǎn)把吸收室和混合管看作一個(gè)整體，統(tǒng)稱為混合管。
首先在圖1 所示的A-A和B-B截面上建立混合管動(dòng)量方程：
(4)
式中：qm1,qm2,qmix分別為引射流體、被引射流體和混合氣體的質(zhì)量流量，kg/s；cf2,cf3分別為被引射流體進(jìn)口流速和混合管出口混合氣流速，m/s；ψ為混合管速度場(chǎng)不均勻系數(shù)；Am為引射器混合管的橫截面積，m2；Pm為混合管出口壓力，Pa；λ為摩擦系數(shù)(與混合管內(nèi)的雷諾數(shù)Re有關(guān))；lm為混合管長(zhǎng)度，m；dm為混合管直徑，m；ρmix為混合管內(nèi)混合氣的密度，kg/m3。
速度場(chǎng)不均勻系數(shù)ψ取決于速度場(chǎng)的分布狀況[16]。拋物線速度場(chǎng)，ψ=1.33；穩(wěn)定的紊流速度場(chǎng)(Re=10 000)，ψ=1.02；矩形速度場(chǎng)，ψ=1.00。本文中的速度場(chǎng)為穩(wěn)定的紊流速度場(chǎng)，故ψ=1.02。
混合管能量守恒方程：
(5)
式中：h1,h2,hmix分別為引射流體、被引射流體和混合氣的當(dāng)?shù)仂手怠?/p>
混合管質(zhì)量守恒方程：
qmix=qm1+qm2
(6)
混合管出口氣體狀態(tài)方程：
PmqV,mix=qmixRgTm
(7)
式中：qV,mix為混合管中混合氣的體積流量，m3/s；Rg為混合管中混合氣的氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)；Tm為混合管出口混合氣溫度，K。
1.3 擴(kuò)壓管
考慮擴(kuò)壓管的擴(kuò)張程度及流動(dòng)阻力損失，則混合氣在擴(kuò)壓管出口截面的壓力Pk為：
(8)
式中：n為擴(kuò)壓管的擴(kuò)張程度，即擴(kuò)壓管出口截面積與混合管截面積的比值，與引射器的形狀有關(guān)[12]，n的值一般取2～3；ξd為擴(kuò)壓管阻力損失系數(shù)，與n有關(guān)。
2 雙級(jí)全預(yù)混燃?xì)庠钜淦?/h2>
圖2為本文提出的雙級(jí)全預(yù)混燃?xì)庠钜淦鞯慕Y(jié)構(gòu)示意圖，該引射器為雙級(jí)串聯(lián)形式，第一級(jí)引射器混合管的出口即為第二級(jí)引射器噴嘴的進(jìn)口。第一級(jí)引射器的引射流體為風(fēng)機(jī)提供的少量的空氣(即一級(jí)空氣)，被引射流體為天然氣，由一級(jí)空氣引射全部的天然氣；第二級(jí)引射器中，將第一級(jí)引射器混合后的氣體作為引射流體，引射全預(yù)混燃燒所需的剩余全部空氣(即二級(jí)空氣)，然后混合氣在第二級(jí)引射器混合管中充分混合后由擴(kuò)壓管升壓后排出。
1—第一級(jí)噴嘴；2—第一級(jí)吸收室；3—第一級(jí)混合管；4—第二級(jí)噴嘴；5—第二級(jí)吸收室；6—第二級(jí)混合管；7—擴(kuò)壓管
其工作原理如下：鼓風(fēng)空氣(一級(jí)空氣)通過(guò)高于燃?xì)鈮毫Φ膲侯^進(jìn)入一級(jí)空氣噴嘴，在噴嘴中降壓增速后流出，引射從燃?xì)馕胧疫M(jìn)入的天然氣，此時(shí)鼓風(fēng)空氣壓力降到天然氣壓力[13](2 000Pa)；鼓風(fēng)空氣引射天然氣后會(huì)在一級(jí)混合管內(nèi)進(jìn)行混合，并以一級(jí)混合氣的形式進(jìn)入第二級(jí)引射器噴嘴，再經(jīng)過(guò)降壓增速，當(dāng)混合氣壓力降至大氣壓[13]時(shí)其流速升高，較高流速的混合氣從二級(jí)空氣吸入室引射全預(yù)混燃燒所需的全部剩余空氣(二級(jí)空氣)，之后在第二級(jí)混合管中充分預(yù)混，最后經(jīng)擴(kuò)壓管升壓排出。這個(gè)過(guò)程中，鼓風(fēng)空氣、被引射的燃?xì)夂捅灰涞亩?jí)空氣不停地發(fā)生動(dòng)能的交換。
本引射器的優(yōu)點(diǎn)是既利用了天燃?xì)庠袎侯^引射空氣系數(shù)為0.6左右的空氣，又利用極少量的低壓一級(jí)空氣(空氣系數(shù)為0.1左右)引射空氣系數(shù)為0.4左右的空氣，滿足了全預(yù)混所需的空氣系數(shù)為1.1的空氣量。同時(shí)該引射器通過(guò)雙級(jí)引射，還具備一定的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。
2.1 引射器性能參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)
引射器性能參數(shù)主要有引射比μ、截面比k和引射壓差ΔP等。
引射比μ：指被引射流體的質(zhì)量流量與引射流體質(zhì)量流量的比值，它反映了引射器的引射能力。一級(jí)空氣與燃?xì)赓|(zhì)量流量的比值為一級(jí)引射比，一級(jí)混合氣與二級(jí)空氣質(zhì)量流量的比值為二級(jí)引射比。當(dāng)天然氣流量和空氣流量一定時(shí)，隨一級(jí)空氣流量的增加，一級(jí)引射比μ1減小，對(duì)應(yīng)的二級(jí)引射比μ2也減小。
截面比k：指各級(jí)引射器中的混合管截面積與噴嘴出口截面積之比，其值的大小影響混合氣在混合管出口處的流速和壓力，以及混合氣在混合管內(nèi)的流動(dòng)阻力。一級(jí)截面比k1為一級(jí)混合管與一級(jí)空氣噴嘴的截面比，二級(jí)截面比k2為二級(jí)混合管與二級(jí)噴嘴截面比。
引射壓差ΔP：指引射流體工作壓力與被引射流體工作壓力的差值，其值反映了引射流體所具有的能量，直接反映其引射低壓流體的能力。雙級(jí)引射器有兩級(jí)引射壓差ΔP1和ΔP3，一級(jí)引射壓差為一級(jí)鼓風(fēng)空氣與天燃?xì)獾膲毫Σ?，二?jí)引射壓差為第一級(jí)引射器出口的混合氣與二級(jí)空氣的壓力差。由于兩級(jí)引射器串聯(lián)布置，因此第二級(jí)引射壓差的變化實(shí)質(zhì)上是由一級(jí)引射壓差引起的，在數(shù)值上隨一級(jí)引射壓差動(dòng)態(tài)變化。
被引射流體壓差ΔP作為引射器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，是指被引射流體經(jīng)過(guò)引射器混合管和擴(kuò)壓管后壓力升高的值，它反映了被引射流體經(jīng)高壓流體引射后所具有的能量。文中一級(jí)混合管出口壓力與天然氣的壓力差為一級(jí)被引射流體壓差ΔP2，擴(kuò)壓管出口和二級(jí)引射空氣的壓力差為二級(jí)被引射流體壓差ΔP4。
2.2 引射器設(shè)計(jì)參數(shù)
本文所涉及的引射器參數(shù)見(jiàn)表1和表2。
表1 燃料性能參數(shù)
表2 初始設(shè)計(jì)參數(shù)
本文的可變參數(shù)見(jiàn)表3～表5。
表3 不同的一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)和引射比
表4 不同的一級(jí)鼓風(fēng)空氣壓力和引射壓差 Pa
表5 不同的截面比
3 結(jié)果及分析
以3.5kW天然氣民用灶為例，分析額定功率下，即天然氣壓力和流量確定時(shí)，一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1、壓力P0，a1以及截面比k1和k2對(duì)引射器雙級(jí)引射性能的影響。
3.1 一級(jí)引射性能分析
圖3對(duì)比了一級(jí)引射中，當(dāng)一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1為0.05、對(duì)應(yīng)的一級(jí)引射比μ1=1.2時(shí)，一級(jí)被引射流體壓差ΔP2隨一級(jí)引射壓差ΔP1和一級(jí)截面比k1的變化情況。
圖3 μ1=1.2時(shí)ΔP2隨ΔP1和k1的變化
結(jié)果顯示，當(dāng)一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1為0.05即一級(jí)引射比μ1=1.2時(shí)，隨著一級(jí)截面比k1的增大，一級(jí)混合管出口被引射流體壓差ΔP2先增大后減小，當(dāng)截面比k1=15時(shí)，不同的一級(jí)引射壓差ΔP1都得到了最大的被引射流體壓差ΔP2。這說(shuō)明，在相同引射比時(shí)，雖然引射壓差不同，但都存在一個(gè)共同的最佳截面比，使被引射流體獲得最大壓升。原因是當(dāng)截面比過(guò)小時(shí)混合管直徑較小，混合管出口流速和混合管內(nèi)的流動(dòng)阻力與截面比較大時(shí)相比顯著增大，導(dǎo)致混合管出口壓力明顯減??；而截面比過(guò)大時(shí)，混合管直徑較大，雖然混合管沿程阻力和出口流速下降，會(huì)使混合管出口壓力上升，但其升幅小于混合管截面積增大使出口壓力降低的幅度，因此仍會(huì)導(dǎo)致混合管出口壓力逐漸減小。
從圖3還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)截面比小于8.15時(shí)，大引射壓差ΔP1可獲得小被引射流體壓差ΔP2，且ΔP2為負(fù)值，說(shuō)明在設(shè)計(jì)引射器時(shí)，截面比不宜過(guò)小。原因是當(dāng)引射流體流量一定時(shí)，由于噴嘴直徑減小，過(guò)高的工作壓力使得噴嘴出口流速增大，同時(shí)小截面比使混合管直徑縮小，這些都大大增加了流動(dòng)過(guò)程中的不可逆能量損耗，導(dǎo)致引射性能惡化。當(dāng)截面比大于8.20時(shí)，被引射流體壓差ΔP2隨引射壓差ΔP1的增加而增加，且ΔP2大于零，滿足引射器升壓的基本條件?？傊?dāng)一級(jí)引射比μ1一定時(shí)，存在一個(gè)最小截面比和一個(gè)最佳截面比，且其值基本不受一級(jí)鼓風(fēng)壓力的影響。
圖4對(duì)比了在一級(jí)鼓風(fēng)壓力為3 000Pa即一級(jí)引射壓差ΔP1=1 000Pa、一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1從0.05增加到0.20使一級(jí)引射比μ1從1.2降低到0.3時(shí)，一級(jí)混合管出口被引射流體壓差ΔP2隨一級(jí)引射比μ1和一級(jí)截面比k1的變化情況。
圖4 ΔP1=1 000Pa時(shí)ΔP2隨μ1和k1的變化
結(jié)果顯示，當(dāng)被引射的天然氣流量一定時(shí)，隨著一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1的增加，一級(jí)引射比μ1減小，一級(jí)最佳截面比k1也減小。這是因?yàn)椋弘S一級(jí)空氣流量的增加，在進(jìn)出口壓力不變的情況下，要求噴嘴出口直徑變大，而被引射流體質(zhì)量一定，使一級(jí)混合管直徑相對(duì)于噴嘴直徑減小，即一級(jí)最佳截面比減小。
當(dāng)截面比小于15時(shí)，一級(jí)引射比越小，即一級(jí)空氣流量越大，相同截面比下的被引射流體壓差越大。隨著截面比的增加，引射比對(duì)被引射流體壓差的影響變小，當(dāng)截面比大于35時(shí)，各引射比下的被引射流體壓差趨于相等且隨截面比的增加緩慢下降，此時(shí)引射比對(duì)被引射流體壓差的影響可以忽略，即一級(jí)空氣流量繼續(xù)增大不會(huì)增加被引射流體壓差。但截面比增加，會(huì)小幅降低被引射流體壓差，使一級(jí)引射器的引射性能下降，原因是當(dāng)截面比足夠大時(shí)，工作流體流量變化使混合管內(nèi)的流動(dòng)阻力和出口流速發(fā)生變化，但其對(duì)出口壓力的影響遠(yuǎn)不及截面增加對(duì)出口壓力的影響大。
總之，在額定天然氣流量下，一級(jí)最佳截面比k1隨一級(jí)引射比μ1的增大而增加；隨著截面比繼續(xù)增加，一級(jí)被引射流體壓差受引射比和截面比的影響大大減弱。
圖5顯示了一級(jí)引射中，當(dāng)一級(jí)截面比k1=15時(shí)，隨一級(jí)鼓風(fēng)壓力和一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1的增加，一級(jí)引射壓差ΔP1和一級(jí)引射比μ1對(duì)一級(jí)被引射流體壓差ΔP2的影響規(guī)律。
圖5 k1=15時(shí)ΔP2隨ΔP1和μ1的變化
結(jié)果顯示，鼓風(fēng)壓力一定時(shí)，隨著引射比的增大，被引射流體壓差減小，即一級(jí)被引射流體壓差隨一級(jí)空氣流量的減小而降低。當(dāng)一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1一定時(shí)，引射比不變，一級(jí)被引射流體壓差隨一級(jí)鼓風(fēng)壓力的升高而增大。
綜上所述，一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1為0.05時(shí)，一級(jí)引射比最大，最佳截面比k1為15，此時(shí)的被引射流體壓差隨鼓風(fēng)壓力升高而增大；在最小鼓風(fēng)壓力為3 000Pa時(shí)，一級(jí)被引射流體壓差達(dá)到50Pa以上，足以滿足二級(jí)引射的要求，若再增加鼓風(fēng)壓力，會(huì)使被引射流體壓差過(guò)高，需增大截面比，從而需加大引射器的結(jié)構(gòu)尺寸。因此采用0.05的一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1和1 000Pa的一級(jí)引射壓差，將使一級(jí)引射器具備較好的引射性能和較優(yōu)的結(jié)構(gòu)。
3.2 二級(jí)引射性能分析
以一級(jí)引射器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和工況作為基準(zhǔn)，分析二級(jí)引射器及鼓風(fēng)壓力對(duì)二級(jí)引射性能的影響。當(dāng)全預(yù)混燃燒所需空氣系數(shù)為1.1時(shí)，則二級(jí)空氣吸入系數(shù)為1.05，額定功率下的二級(jí)引射比μ2=9.3。
圖6對(duì)比了當(dāng)一級(jí)引射的α1=0.05、μ1=1.2、k1=15、二級(jí)引射比μ2=9.3時(shí)，二級(jí)被引射流體壓差ΔP4隨一級(jí)鼓風(fēng)壓力(一級(jí)引射壓差ΔP1)和二級(jí)截面比μ2的變化規(guī)律。
圖6顯示，隨著二級(jí)截面比k2的增大，被引射流體壓差ΔP4先增大后減小，當(dāng)截面比k2=130時(shí)，不同的一級(jí)引射壓差ΔP1都得到了最大的被引射流體壓差ΔP4。這說(shuō)明，當(dāng)二級(jí)引射比確定時(shí)，會(huì)
圖6 μ2=9.3時(shí)ΔP4隨ΔP1和k2的變化
存在一個(gè)最佳的二級(jí)截面比，使被引射流體獲得最大壓升，增加或減小截面比都會(huì)降低二級(jí)引射器的增壓性能，而增大引射壓差，會(huì)提高引射器的增壓性能。這是因?yàn)椋?dāng)一級(jí)引射結(jié)構(gòu)確定時(shí)，隨一級(jí)鼓風(fēng)壓力的增加，一級(jí)引射壓差ΔP1增大，一級(jí)混合管出口壓升ΔP2也增大，意味著二級(jí)引射流體的工作壓力隨之增加，從而提高了二級(jí)被引射流體的壓升ΔP4。
圖7對(duì)比了一級(jí)鼓風(fēng)壓力為3 000Pa即一級(jí)引射壓差ΔP1=1 000Pa、一級(jí)最佳截面比k1=15時(shí)，二級(jí)擴(kuò)壓管出口被引射流體壓差ΔP4隨二級(jí)引射比μ2和二級(jí)截面比k2變化的情況。當(dāng)一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1從0.05升到0.02時(shí)，二級(jí)空氣系數(shù)從1.05降到0.90，二級(jí)引射比μ2從9.3降到3.4。
圖7 ΔP1=1 000Pa、k1=15時(shí)ΔP4隨μ2和k2的變化
結(jié)果顯示，當(dāng)μ2=9.3時(shí)，存在一個(gè)最佳二級(jí)截面比k2=130；當(dāng)二級(jí)截面比相同時(shí)，隨二級(jí)引射比的減小，即一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1的增加，二級(jí)被引射流體壓差增大，但都隨截面比的增大而減小。
另外，二級(jí)被引射流體壓差ΔP4反映了雙級(jí)引射器擴(kuò)壓管出口表壓，而此壓力是用于克服燃?xì)庠钕到y(tǒng)流動(dòng)阻力的，一般取值在幾Pa到十幾Pa之間。圖7顯示，當(dāng)ΔP1=1 000Pa、α1=0.05、μ2=9.3、k1=15，k2在130左右時(shí)，引射器出口壓力足以滿足系統(tǒng)阻力的需求，若再增大鼓風(fēng)壓力和鼓風(fēng)流量，一方面增大了鼓風(fēng)機(jī)的功率，同時(shí)增加了引射器出口壓力，導(dǎo)致能量上的浪費(fèi)，若用增加截面比來(lái)降低出口壓力，則增大了引射器結(jié)構(gòu)尺寸，成本提升，也是浪費(fèi)。
4 結(jié)論
在氣源參數(shù)確定的情況下，本文在額定工況下對(duì)雙級(jí)全預(yù)混燃?xì)庠钜淦鬟M(jìn)行了理論建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：
1)在一定的引射比下，雙級(jí)燃?xì)馊A(yù)混引射器的兩級(jí)都存在一個(gè)不隨引射壓差變化的最佳截面比，使被引射流體壓差最大，且最佳截面比的值隨引射比的增加而增大。
2)在一定的引射比下，引射器存在一最小截面比，且此最小截面比基本不受引射壓差的影響。當(dāng)截面比小于最小截面比時(shí)，被引射流體壓差為負(fù)值，不具備引射壓縮流體的能力；當(dāng)截面比大于最小截面比時(shí)，被引射流體壓差隨引射壓差的增加而增大。
3)在一定的引射壓差下，最佳截面比隨引射比的增加而增大，被引射流體壓差隨引射比的增加而減小。
4)在一個(gè)相對(duì)較小的截面比下，引射比越小，被引射流體壓差越大，但隨著截面比的持續(xù)增大，被引射流體壓差受引射比的影響逐漸減小，并隨截面比的增加呈緩慢小幅下降的趨勢(shì)。
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沈金晨，蘇 磊
(南京工業(yè)大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211816)
與傳統(tǒng)大氣式燃?xì)庠钕啾?，全預(yù)混燃?xì)庠钅軐?shí)現(xiàn)燃?xì)夂涂諝獾娜A(yù)混燃燒，從而使火焰溫度和熱效率提高，同時(shí)減少CO和NOx的排放量，因此受到很多學(xué)者的重視[1-3]。全預(yù)混引射器可實(shí)現(xiàn)燃?xì)馀c其完全燃燒所需空氣的充分預(yù)混，是全預(yù)混燃?xì)庠畹闹匾M成部件，因此研究和開(kāi)發(fā)全預(yù)混引射器是全預(yù)混燃?xì)庠钛芯亢蛻?yīng)用中必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
目前，關(guān)于單級(jí)引射器性能的研究較多，許多學(xué)者對(duì)引射器的混合特性、引射器特性方程及引射器的可調(diào)性等進(jìn)行了研究[4-7]。陳輝等[8]研究了工作流體壓力對(duì)引射器性能的影響，發(fā)現(xiàn)增加工作流體的壓力可以增大引射系數(shù)，但是當(dāng)工作流體壓力超過(guò)臨界值后，繼續(xù)增加反而會(huì)引起引射系數(shù)的下降。宋力釗等[9]研究了幾何參數(shù)對(duì)引射器性能的影響，結(jié)果表明，在一定工況下存在一最佳的喉部和混合管直徑使引射系數(shù)最大。
雙級(jí)引射器通過(guò)階段性引射[10]有利于實(shí)現(xiàn)燃?xì)馀c空氣的全預(yù)混，目前對(duì)雙級(jí)引射器應(yīng)用于燃?xì)庠钌系难芯窟€相對(duì)較少。童偉明等[11]通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)比了單、雙級(jí)引射低壓加熱器性能的優(yōu)劣，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雙級(jí)引射器的引射系數(shù)比單級(jí)引射器的引射系數(shù)提高了120%，雙級(jí)引射器在綜合性能上比單級(jí)引射器要好。
本文提出了一種新的雙級(jí)全預(yù)混燃?xì)庠钜淦鞯慕Y(jié)構(gòu)。以3.5 kW燃燒功率的民用天然氣燃?xì)庠顬槔?，在天然氣壓力和天然氣額定流量確定的情況下，進(jìn)行了雙級(jí)引射器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論建模，分析雙級(jí)引射比、截面比和引射壓差對(duì)引射器性能的影響。
1 理論模型
雙級(jí)引射器本質(zhì)上是單級(jí)引射器的重復(fù)，為方便敘述，現(xiàn)以單級(jí)引射器的理論模型為例，介紹雙級(jí)引射器建模方法。單級(jí)引射器主要由噴嘴、吸入室、混合管和擴(kuò)壓管組成，圖1為單級(jí)引射器結(jié)構(gòu)示意圖。
1—噴嘴；2—吸入室；3—混合管；4—擴(kuò)壓管
1.1 噴嘴
設(shè)噴嘴內(nèi)部流動(dòng)為可逆絕熱過(guò)程，理論描述如下：
(1)
(2)
噴嘴出口引射流體的實(shí)際流速cf1為：
(3)
式中：T0,T1分別為噴嘴進(jìn)口、出口引射流體溫度，K；P0,P1分別為噴嘴進(jìn)口、出口引射流體壓力，Pa；k為引射流體絕熱指數(shù)；cp為引射流體定壓比熱容，kJ/(kg·K)；cf0為噴嘴進(jìn)口引射流體流速，m/s；φ為不可逆流動(dòng)的速度修正系數(shù)，一般取0.92～0.98。
1.2 吸收室和混合管
引射器混合段的內(nèi)部氣體混合過(guò)程十分復(fù)雜，需通過(guò)動(dòng)量守恒、連續(xù)性方程和能量守恒定律來(lái)進(jìn)行理論分析，根據(jù)過(guò)程特點(diǎn)把吸收室和混合管看作一個(gè)整體，統(tǒng)稱為混合管。
首先在圖1 所示的A-A和B-B截面上建立混合管動(dòng)量方程：
(4)
式中：qm1,qm2,qmix分別為引射流體、被引射流體和混合氣體的質(zhì)量流量，kg/s；cf2,cf3分別為被引射流體進(jìn)口流速和混合管出口混合氣流速，m/s；ψ為混合管速度場(chǎng)不均勻系數(shù)；Am為引射器混合管的橫截面積，m2；Pm為混合管出口壓力，Pa；λ為摩擦系數(shù)(與混合管內(nèi)的雷諾數(shù)Re有關(guān))；lm為混合管長(zhǎng)度，m；dm為混合管直徑，m；ρmix為混合管內(nèi)混合氣的密度，kg/m3。
速度場(chǎng)不均勻系數(shù)ψ取決于速度場(chǎng)的分布狀況[16]。拋物線速度場(chǎng)，ψ=1.33；穩(wěn)定的紊流速度場(chǎng)(Re=10 000)，ψ=1.02；矩形速度場(chǎng)，ψ=1.00。本文中的速度場(chǎng)為穩(wěn)定的紊流速度場(chǎng)，故ψ=1.02。
混合管能量守恒方程：
(5)
式中：h1,h2,hmix分別為引射流體、被引射流體和混合氣的當(dāng)?shù)仂手怠?/p>
混合管質(zhì)量守恒方程：
qmix=qm1+qm2
(6)
混合管出口氣體狀態(tài)方程：
PmqV,mix=qmixRgTm
(7)
式中：qV,mix為混合管中混合氣的體積流量，m3/s；Rg為混合管中混合氣的氣體常數(shù)，kJ/(kg·K)；Tm為混合管出口混合氣溫度，K。
1.3 擴(kuò)壓管
考慮擴(kuò)壓管的擴(kuò)張程度及流動(dòng)阻力損失，則混合氣在擴(kuò)壓管出口截面的壓力Pk為：
(8)
式中：n為擴(kuò)壓管的擴(kuò)張程度，即擴(kuò)壓管出口截面積與混合管截面積的比值，與引射器的形狀有關(guān)[12]，n的值一般取2～3；ξd為擴(kuò)壓管阻力損失系數(shù)，與n有關(guān)。
2 雙級(jí)全預(yù)混燃?xì)庠钜淦?/h2>
圖2為本文提出的雙級(jí)全預(yù)混燃?xì)庠钜淦鞯慕Y(jié)構(gòu)示意圖，該引射器為雙級(jí)串聯(lián)形式，第一級(jí)引射器混合管的出口即為第二級(jí)引射器噴嘴的進(jìn)口。第一級(jí)引射器的引射流體為風(fēng)機(jī)提供的少量的空氣(即一級(jí)空氣)，被引射流體為天然氣，由一級(jí)空氣引射全部的天然氣；第二級(jí)引射器中，將第一級(jí)引射器混合后的氣體作為引射流體，引射全預(yù)混燃燒所需的剩余全部空氣(即二級(jí)空氣)，然后混合氣在第二級(jí)引射器混合管中充分混合后由擴(kuò)壓管升壓后排出。
1—第一級(jí)噴嘴；2—第一級(jí)吸收室；3—第一級(jí)混合管；4—第二級(jí)噴嘴；5—第二級(jí)吸收室；6—第二級(jí)混合管；7—擴(kuò)壓管
其工作原理如下：鼓風(fēng)空氣(一級(jí)空氣)通過(guò)高于燃?xì)鈮毫Φ膲侯^進(jìn)入一級(jí)空氣噴嘴，在噴嘴中降壓增速后流出，引射從燃?xì)馕胧疫M(jìn)入的天然氣，此時(shí)鼓風(fēng)空氣壓力降到天然氣壓力[13](2 000Pa)；鼓風(fēng)空氣引射天然氣后會(huì)在一級(jí)混合管內(nèi)進(jìn)行混合，并以一級(jí)混合氣的形式進(jìn)入第二級(jí)引射器噴嘴，再經(jīng)過(guò)降壓增速，當(dāng)混合氣壓力降至大氣壓[13]時(shí)其流速升高，較高流速的混合氣從二級(jí)空氣吸入室引射全預(yù)混燃燒所需的全部剩余空氣(二級(jí)空氣)，之后在第二級(jí)混合管中充分預(yù)混，最后經(jīng)擴(kuò)壓管升壓排出。這個(gè)過(guò)程中，鼓風(fēng)空氣、被引射的燃?xì)夂捅灰涞亩?jí)空氣不停地發(fā)生動(dòng)能的交換。
本引射器的優(yōu)點(diǎn)是既利用了天燃?xì)庠袎侯^引射空氣系數(shù)為0.6左右的空氣，又利用極少量的低壓一級(jí)空氣(空氣系數(shù)為0.1左右)引射空氣系數(shù)為0.4左右的空氣，滿足了全預(yù)混所需的空氣系數(shù)為1.1的空氣量。同時(shí)該引射器通過(guò)雙級(jí)引射，還具備一定的負(fù)荷調(diào)節(jié)能力。
2.1 引射器性能參數(shù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)
引射器性能參數(shù)主要有引射比μ、截面比k和引射壓差ΔP等。
引射比μ：指被引射流體的質(zhì)量流量與引射流體質(zhì)量流量的比值，它反映了引射器的引射能力。一級(jí)空氣與燃?xì)赓|(zhì)量流量的比值為一級(jí)引射比，一級(jí)混合氣與二級(jí)空氣質(zhì)量流量的比值為二級(jí)引射比。當(dāng)天然氣流量和空氣流量一定時(shí)，隨一級(jí)空氣流量的增加，一級(jí)引射比μ1減小，對(duì)應(yīng)的二級(jí)引射比μ2也減小。
截面比k：指各級(jí)引射器中的混合管截面積與噴嘴出口截面積之比，其值的大小影響混合氣在混合管出口處的流速和壓力，以及混合氣在混合管內(nèi)的流動(dòng)阻力。一級(jí)截面比k1為一級(jí)混合管與一級(jí)空氣噴嘴的截面比，二級(jí)截面比k2為二級(jí)混合管與二級(jí)噴嘴截面比。
引射壓差ΔP：指引射流體工作壓力與被引射流體工作壓力的差值，其值反映了引射流體所具有的能量，直接反映其引射低壓流體的能力。雙級(jí)引射器有兩級(jí)引射壓差ΔP1和ΔP3，一級(jí)引射壓差為一級(jí)鼓風(fēng)空氣與天燃?xì)獾膲毫Σ?，二?jí)引射壓差為第一級(jí)引射器出口的混合氣與二級(jí)空氣的壓力差。由于兩級(jí)引射器串聯(lián)布置，因此第二級(jí)引射壓差的變化實(shí)質(zhì)上是由一級(jí)引射壓差引起的，在數(shù)值上隨一級(jí)引射壓差動(dòng)態(tài)變化。
被引射流體壓差ΔP作為引射器性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，是指被引射流體經(jīng)過(guò)引射器混合管和擴(kuò)壓管后壓力升高的值，它反映了被引射流體經(jīng)高壓流體引射后所具有的能量。文中一級(jí)混合管出口壓力與天然氣的壓力差為一級(jí)被引射流體壓差ΔP2，擴(kuò)壓管出口和二級(jí)引射空氣的壓力差為二級(jí)被引射流體壓差ΔP4。
2.2 引射器設(shè)計(jì)參數(shù)
本文所涉及的引射器參數(shù)見(jiàn)表1和表2。
表1 燃料性能參數(shù)
表2 初始設(shè)計(jì)參數(shù)
本文的可變參數(shù)見(jiàn)表3～表5。
表3 不同的一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)和引射比
表4 不同的一級(jí)鼓風(fēng)空氣壓力和引射壓差 Pa
表5 不同的截面比
3 結(jié)果及分析
以3.5kW天然氣民用灶為例，分析額定功率下，即天然氣壓力和流量確定時(shí)，一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1、壓力P0，a1以及截面比k1和k2對(duì)引射器雙級(jí)引射性能的影響。
3.1 一級(jí)引射性能分析
圖3對(duì)比了一級(jí)引射中，當(dāng)一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1為0.05、對(duì)應(yīng)的一級(jí)引射比μ1=1.2時(shí)，一級(jí)被引射流體壓差ΔP2隨一級(jí)引射壓差ΔP1和一級(jí)截面比k1的變化情況。
圖3 μ1=1.2時(shí)ΔP2隨ΔP1和k1的變化
結(jié)果顯示，當(dāng)一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1為0.05即一級(jí)引射比μ1=1.2時(shí)，隨著一級(jí)截面比k1的增大，一級(jí)混合管出口被引射流體壓差ΔP2先增大后減小，當(dāng)截面比k1=15時(shí)，不同的一級(jí)引射壓差ΔP1都得到了最大的被引射流體壓差ΔP2。這說(shuō)明，在相同引射比時(shí)，雖然引射壓差不同，但都存在一個(gè)共同的最佳截面比，使被引射流體獲得最大壓升。原因是當(dāng)截面比過(guò)小時(shí)混合管直徑較小，混合管出口流速和混合管內(nèi)的流動(dòng)阻力與截面比較大時(shí)相比顯著增大，導(dǎo)致混合管出口壓力明顯減??；而截面比過(guò)大時(shí)，混合管直徑較大，雖然混合管沿程阻力和出口流速下降，會(huì)使混合管出口壓力上升，但其升幅小于混合管截面積增大使出口壓力降低的幅度，因此仍會(huì)導(dǎo)致混合管出口壓力逐漸減小。
從圖3還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)截面比小于8.15時(shí)，大引射壓差ΔP1可獲得小被引射流體壓差ΔP2，且ΔP2為負(fù)值，說(shuō)明在設(shè)計(jì)引射器時(shí)，截面比不宜過(guò)小。原因是當(dāng)引射流體流量一定時(shí)，由于噴嘴直徑減小，過(guò)高的工作壓力使得噴嘴出口流速增大，同時(shí)小截面比使混合管直徑縮小，這些都大大增加了流動(dòng)過(guò)程中的不可逆能量損耗，導(dǎo)致引射性能惡化。當(dāng)截面比大于8.20時(shí)，被引射流體壓差ΔP2隨引射壓差ΔP1的增加而增加，且ΔP2大于零，滿足引射器升壓的基本條件?？傊?dāng)一級(jí)引射比μ1一定時(shí)，存在一個(gè)最小截面比和一個(gè)最佳截面比，且其值基本不受一級(jí)鼓風(fēng)壓力的影響。
圖4對(duì)比了在一級(jí)鼓風(fēng)壓力為3 000Pa即一級(jí)引射壓差ΔP1=1 000Pa、一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1從0.05增加到0.20使一級(jí)引射比μ1從1.2降低到0.3時(shí)，一級(jí)混合管出口被引射流體壓差ΔP2隨一級(jí)引射比μ1和一級(jí)截面比k1的變化情況。
圖4 ΔP1=1 000Pa時(shí)ΔP2隨μ1和k1的變化
結(jié)果顯示，當(dāng)被引射的天然氣流量一定時(shí)，隨著一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1的增加，一級(jí)引射比μ1減小，一級(jí)最佳截面比k1也減小。這是因?yàn)椋弘S一級(jí)空氣流量的增加，在進(jìn)出口壓力不變的情況下，要求噴嘴出口直徑變大，而被引射流體質(zhì)量一定，使一級(jí)混合管直徑相對(duì)于噴嘴直徑減小，即一級(jí)最佳截面比減小。
當(dāng)截面比小于15時(shí)，一級(jí)引射比越小，即一級(jí)空氣流量越大，相同截面比下的被引射流體壓差越大。隨著截面比的增加，引射比對(duì)被引射流體壓差的影響變小，當(dāng)截面比大于35時(shí)，各引射比下的被引射流體壓差趨于相等且隨截面比的增加緩慢下降，此時(shí)引射比對(duì)被引射流體壓差的影響可以忽略，即一級(jí)空氣流量繼續(xù)增大不會(huì)增加被引射流體壓差。但截面比增加，會(huì)小幅降低被引射流體壓差，使一級(jí)引射器的引射性能下降，原因是當(dāng)截面比足夠大時(shí)，工作流體流量變化使混合管內(nèi)的流動(dòng)阻力和出口流速發(fā)生變化，但其對(duì)出口壓力的影響遠(yuǎn)不及截面增加對(duì)出口壓力的影響大。
總之，在額定天然氣流量下，一級(jí)最佳截面比k1隨一級(jí)引射比μ1的增大而增加；隨著截面比繼續(xù)增加，一級(jí)被引射流體壓差受引射比和截面比的影響大大減弱。
圖5顯示了一級(jí)引射中，當(dāng)一級(jí)截面比k1=15時(shí)，隨一級(jí)鼓風(fēng)壓力和一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1的增加，一級(jí)引射壓差ΔP1和一級(jí)引射比μ1對(duì)一級(jí)被引射流體壓差ΔP2的影響規(guī)律。
圖5 k1=15時(shí)ΔP2隨ΔP1和μ1的變化
結(jié)果顯示，鼓風(fēng)壓力一定時(shí)，隨著引射比的增大，被引射流體壓差減小，即一級(jí)被引射流體壓差隨一級(jí)空氣流量的減小而降低。當(dāng)一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1一定時(shí)，引射比不變，一級(jí)被引射流體壓差隨一級(jí)鼓風(fēng)壓力的升高而增大。
綜上所述，一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1為0.05時(shí)，一級(jí)引射比最大，最佳截面比k1為15，此時(shí)的被引射流體壓差隨鼓風(fēng)壓力升高而增大；在最小鼓風(fēng)壓力為3 000Pa時(shí)，一級(jí)被引射流體壓差達(dá)到50Pa以上，足以滿足二級(jí)引射的要求，若再增加鼓風(fēng)壓力，會(huì)使被引射流體壓差過(guò)高，需增大截面比，從而需加大引射器的結(jié)構(gòu)尺寸。因此采用0.05的一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1和1 000Pa的一級(jí)引射壓差，將使一級(jí)引射器具備較好的引射性能和較優(yōu)的結(jié)構(gòu)。
3.2 二級(jí)引射性能分析
以一級(jí)引射器的最優(yōu)結(jié)構(gòu)和工況作為基準(zhǔn)，分析二級(jí)引射器及鼓風(fēng)壓力對(duì)二級(jí)引射性能的影響。當(dāng)全預(yù)混燃燒所需空氣系數(shù)為1.1時(shí)，則二級(jí)空氣吸入系數(shù)為1.05，額定功率下的二級(jí)引射比μ2=9.3。
圖6對(duì)比了當(dāng)一級(jí)引射的α1=0.05、μ1=1.2、k1=15、二級(jí)引射比μ2=9.3時(shí)，二級(jí)被引射流體壓差ΔP4隨一級(jí)鼓風(fēng)壓力(一級(jí)引射壓差ΔP1)和二級(jí)截面比μ2的變化規(guī)律。
圖6顯示，隨著二級(jí)截面比k2的增大，被引射流體壓差ΔP4先增大后減小，當(dāng)截面比k2=130時(shí)，不同的一級(jí)引射壓差ΔP1都得到了最大的被引射流體壓差ΔP4。這說(shuō)明，當(dāng)二級(jí)引射比確定時(shí)，會(huì)
圖6 μ2=9.3時(shí)ΔP4隨ΔP1和k2的變化
存在一個(gè)最佳的二級(jí)截面比，使被引射流體獲得最大壓升，增加或減小截面比都會(huì)降低二級(jí)引射器的增壓性能，而增大引射壓差，會(huì)提高引射器的增壓性能。這是因?yàn)椋?dāng)一級(jí)引射結(jié)構(gòu)確定時(shí)，隨一級(jí)鼓風(fēng)壓力的增加，一級(jí)引射壓差ΔP1增大，一級(jí)混合管出口壓升ΔP2也增大，意味著二級(jí)引射流體的工作壓力隨之增加，從而提高了二級(jí)被引射流體的壓升ΔP4。
圖7對(duì)比了一級(jí)鼓風(fēng)壓力為3 000Pa即一級(jí)引射壓差ΔP1=1 000Pa、一級(jí)最佳截面比k1=15時(shí)，二級(jí)擴(kuò)壓管出口被引射流體壓差ΔP4隨二級(jí)引射比μ2和二級(jí)截面比k2變化的情況。當(dāng)一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1從0.05升到0.02時(shí)，二級(jí)空氣系數(shù)從1.05降到0.90，二級(jí)引射比μ2從9.3降到3.4。
圖7 ΔP1=1 000Pa、k1=15時(shí)ΔP4隨μ2和k2的變化
結(jié)果顯示，當(dāng)μ2=9.3時(shí)，存在一個(gè)最佳二級(jí)截面比k2=130；當(dāng)二級(jí)截面比相同時(shí)，隨二級(jí)引射比的減小，即一級(jí)鼓風(fēng)空氣系數(shù)α1的增加，二級(jí)被引射流體壓差增大，但都隨截面比的增大而減小。
另外，二級(jí)被引射流體壓差ΔP4反映了雙級(jí)引射器擴(kuò)壓管出口表壓，而此壓力是用于克服燃?xì)庠钕到y(tǒng)流動(dòng)阻力的，一般取值在幾Pa到十幾Pa之間。圖7顯示，當(dāng)ΔP1=1 000Pa、α1=0.05、μ2=9.3、k1=15，k2在130左右時(shí)，引射器出口壓力足以滿足系統(tǒng)阻力的需求，若再增大鼓風(fēng)壓力和鼓風(fēng)流量，一方面增大了鼓風(fēng)機(jī)的功率，同時(shí)增加了引射器出口壓力，導(dǎo)致能量上的浪費(fèi)，若用增加截面比來(lái)降低出口壓力，則增大了引射器結(jié)構(gòu)尺寸，成本提升，也是浪費(fèi)。
4 結(jié)論
在氣源參數(shù)確定的情況下，本文在額定工況下對(duì)雙級(jí)全預(yù)混燃?xì)庠钜淦鬟M(jìn)行了理論建模與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，得到如下結(jié)論：
1)在一定的引射比下，雙級(jí)燃?xì)馊A(yù)混引射器的兩級(jí)都存在一個(gè)不隨引射壓差變化的最佳截面比，使被引射流體壓差最大，且最佳截面比的值隨引射比的增加而增大。
2)在一定的引射比下，引射器存在一最小截面比，且此最小截面比基本不受引射壓差的影響。當(dāng)截面比小于最小截面比時(shí)，被引射流體壓差為負(fù)值，不具備引射壓縮流體的能力；當(dāng)截面比大于最小截面比時(shí)，被引射流體壓差隨引射壓差的增加而增大。
3)在一定的引射壓差下，最佳截面比隨引射比的增加而增大，被引射流體壓差隨引射比的增加而減小。
4)在一個(gè)相對(duì)較小的截面比下，引射比越小，被引射流體壓差越大，但隨著截面比的持續(xù)增大，被引射流體壓差受引射比的影響逐漸減小，并隨截面比的增加呈緩慢小幅下降的趨勢(shì)。
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