| 脈動(dòng)生物質(zhì)燃燒機(jī)的頻率特性研究 |
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鄭州達(dá)冠節(jié)能環(huán)保設(shè)備有限公司
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脈動(dòng)生物質(zhì)燃燒機(jī)的頻率特性研究 由于可控的脈動(dòng)燃燒能大大提高燃燒效率和燃?xì)獾膫鳠嵝，在噴氣推進(jìn)、動(dòng)力發(fā)電、工業(yè)爐窯、民用取暖，化工中的干燥和煅燒、各種鍋爐等有明顯的潛在優(yōu)勢(shì)。基于Higgins-Rijke熱聲效應(yīng)的無(wú)閥自激脈動(dòng)燃燒器，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)運(yùn)動(dòng)部件，壽命可達(dá)水平，潛在應(yīng)用前景。 脈動(dòng)生物質(zhì)燃燒機(jī)的頻率特性對(duì)其設(shè)計(jì)和使用都有很重要的意義。非自激脈動(dòng)燃燒器的工作頻率取決于外界脈動(dòng)源（如脈動(dòng)供氣）的頻率，而Hehnholtz型有閥自激脈動(dòng)燃燒器（如市場(chǎng)有售的富爾頓脈動(dòng)燃?xì)忮仩t）的頻率可用Helmholtz共振腔公式計(jì)算。對(duì)于直管的Higgins-Rijke型脈動(dòng)燃燒器，其頻率可根據(jù)燃燒器總長(zhǎng)，按1／2波長(zhǎng)管公式大致估算。由于管中術(shù) 自然科學(xué)資助項(xiàng)目(69802010)有冷段和熱段，管中氣流的平均聲速只能憑經(jīng)驗(yàn)給定，其誤差隨意性很大。 由于直管的Higgins-Rij ke型無(wú)閥自激脈動(dòng)燃燒器須在長(zhǎng)徑比大于10時(shí)，才能較好工作，極大地限制其推廣使用。設(shè)想1 m直徑的燃燒器至少10 m長(zhǎng)。且不說(shuō)需特高的鍋爐房才能安裝，就其工作頻率來(lái)說(shuō)，約24 Hz，已接近次聲，噪聲對(duì)人體存在較大問(wèn)題。為此，我們對(duì)直管的Higgins-Rijke型自激脈動(dòng)生物質(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)。將進(jìn)氣段和出氣段的通氣截面積，做成小于燃燒室通氣截面枳，形成“兩端收口”的無(wú)閥自激脈動(dòng)燃燒器。這樣，使燃燒器總長(zhǎng)與燃燒室直徑之比減小到4.2時(shí)，仍能自激脈動(dòng)工作[1]。為了有別于直管的Higgins-Rijke型脈動(dòng)燃燒器，也為了敘述方便起見(jiàn)，我們把這種“兩端收口”的無(wú)閥自激脈動(dòng)燃燒器稱為Rijke-ZT型脈動(dòng)燃燒器。直管522的Higgins-Rijke型脈動(dòng)燃燒器只是Rijke-ZT型脈動(dòng)燃燒器的一個(gè)特例。我們?cè)鴮?duì)Rijke-ZT型脈動(dòng)燃燒器的頻率特性進(jìn)行過(guò)研究[2]，但未曾涉及燃?xì)獾臏囟确植。本文就Rijke-ZT型脈動(dòng)燃燒器考慮熱燃?xì)鉁囟确植嫉念l率特性進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并推導(dǎo)出計(jì)算這種脈動(dòng)燃燒器頻率的公式。 1 Rijke-ZT型脈動(dòng)燃燒器的頻率特性 的實(shí)驗(yàn)研究 為了研究Rijke-ZT型無(wú)閥自激脈動(dòng)生物質(zhì)燃燒機(jī)的頻率特性，加工了4種不同收縮比的試驗(yàn)器（見(jiàn)圖1）。它們的尺寸參數(shù)見(jiàn)表1。為今后闡述方便起見(jiàn)，我們稱移C管段為進(jìn)氣段、≯B為燃燒室、≯A為出氣段。 表1進(jìn)、出氣段不同收縮比的脈動(dòng)試驗(yàn)器一覽表 ┏━━━━━━━┳━━━┳━━━━┳━━━━┳━━━━┳━━━━┳━━━━┓ ┃ 試驗(yàn)器編號(hào) ┃No．1 ┃ No.2 ┃ No．3 ┃ No．4 ┃ No．5 ┃ No.6 ┃ ┣━━━━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫ ┃ 4A mm ┃4160 ┃4106 ┃西70 ┃擊52 ┃擊70 ┃西52 ┃ ┣━━━━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫ ┃ 4B mm ┃4160 ┃4160 ┃+160 ┃+160 ┃4160 ┃4160 ┃ ┣━━━━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫ ┃ +C mm ┃4160 ┃4106 ┃擊70 ┃擊52 ┃4106 ┃4106 ┃ ┣━━━━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫ ┃ 出氣段收縮 ┃ 1 ┃ 0.44 ┃ 0.19 ┃ 0.11 ┃ 0.19 ┃ 0.11 ┃ ┃ 比4A／曲B ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┣━━━━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫ ┃ 進(jìn)氣段收縮 ┃ 1 ┃ 0,44 ┃ 0.19 ┃ 0 11 ┃ 0.44 ┃ 0.44 ┃ ┃ 比西C／西B ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┗━━━━━━━┻━━━┻━━━━┻━━━━┻━━━━┻━━━━┻━━━━┛ 根據(jù)我佃的經(jīng)驗(yàn)和對(duì)Higgins-Rijke型熱聲現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)[3】’這種燃燒器的頻率特性不受熱源種類的影響。因此，我們用電加熱的方法作熱源，而不是用固、液或氣體燃料燃燒做熱源，這樣熱源參數(shù)易于控制和調(diào)整。沿試驗(yàn)器軸向安裝了10支熱電偶，測(cè)量溫度分布。熱電偶的間距是不相等的，溫度變化較大區(qū)域熱電偶間距相對(duì)小些（熱電偶沿軸向的安裝位置見(jiàn)圖2）。由直徑為0.6 mm的鎳鉻鎳鋁絲組成的露頭鎧裝熱電偶，動(dòng)態(tài)響應(yīng)很好。用YE2539高速靜態(tài)電阻應(yīng)變儀每隔10 s采樣一次。試驗(yàn)器內(nèi)氣體脈動(dòng)頻率由安放在進(jìn)氣口處的CA-YD5,4加速度傳感器拾取。訊號(hào)經(jīng)電荷放大器放大后，輸入雙跡陰極射線示波器，由函數(shù)發(fā)生器發(fā)出的訊號(hào)進(jìn)行比較。由于Rijke-ZT型脈動(dòng)燃燒器內(nèi)的聲波不是純正弦波，基波上疊加了一些諧波，因此不能用通常的頻率計(jì)數(shù)器直接讀得主頻率值。 測(cè)得的相應(yīng)溫度分布見(jiàn)表2。測(cè)得的主頻率值見(jiàn)表3。 進(jìn)、出氣段通氣截面積相同時(shí)試驗(yàn)器的主頻率與溫度分布的關(guān)系見(jiàn)表2中的No．1，No．2，No．3，N04，進(jìn)、出口段通氣截面積不同時(shí)的頻率特性見(jiàn)表2中的No．5，No．6 圖2熱電偶分布示意圖 表2 各點(diǎn)熱電偶測(cè)得的溫度值 ┏━━━━━━┳━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━┓ ┃ ┃ 溫度分布／oC ┃ ┣━━━━━━╋━━━┳━━━┳━━━┳━━━┳━━━┳━━━┳━━━┳━━━┳━━━┳━━━┫ ┃誡驗(yàn)器編號(hào) ┃HOO ┃H01 ┃H02 ┃H03 ┃H04 ┃H05 ┃H06 ┃H07 ┃H08 ┃H09 ┃ ┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫ ┃ No．1 ┃ 56 ┃ 59 ┃ 77 ┃ 83 ┃112 ┃178 ┃ 271 ┃ 95 ┃ 34 ┃ 24 ┃ ┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫ ┃ No．2 ┃ 76 ┃ 80 ┃ 82 ┃ 84 ┃ 109 ┃ 167 ┃ 356 ┃ 83 ┃ 29 ┃ 21 ┃ ┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫ ┃ No．3 ┃ 89 ┃ 93 ┃ 96 ┃ 99 ┃ 107 ┃ 224 ┃ 237 ┃ 136 ┃ 34 ┃ 22 ┃ ┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫ ┃ No．4 ┃ 75 ┃ 87 ┃ 93 ┃ 95 ┃139 ┃ 233 ┃244 ┃135 ┃ 29 ┃ 21 ┃ ┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫ ┃ No.5 ┃ 82 ┃ 99 ┃ 107 ┃ 121 ┃ 125 ┃ 182 ┃ 404 ┃ 107 ┃ 36 ┃ 23 ┃ ┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫ ┃ No．6 ┃ 50 ┃ 76 ┃ 78 ┃ 82 ┃ 98 ┃ 131 ┃ 376 ┃ 80 ┃ 31 ┃ 23 ┃ ┗━━━━━━┻━━━┻━━━┻━━━┻━━━┻━━━┻━━━┻━━━┻━━━┻━━━┻━━━┛ 表3實(shí)驗(yàn)用Rijke-ZT生物質(zhì)燃燒爐的實(shí)測(cè)頻率與計(jì)算頻率對(duì)比表 ┏━━━━━━━┳━━━━┳━━━━┳━━━━┳━━━━┳━━━━┳━━━━┓ ┃ 試驗(yàn)器編號(hào) ┃No．1 ┃ No．2 ┃ No．3 ┃ No．4 ┃ No．5 ┃ No．6 ┃ ┣━━━━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫ ┃實(shí)測(cè)基頻/Hz ┃ 113.3 ┃ 86.9 ┃ 60 l ┃ 46.8 ┃ 75.3 ┃ 71 1 ┃ ┣━━━━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫ ┃計(jì)算頻率/Hz ┃ 111.2 ┃ 83.0 ┃ 59.6 ┃ 45.8 ┃ 74.3 ┃ 68.4 ┃ ┣━━━━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫ ┃ 誤差／% ┃ 1.9 ┃ 4.5 ┃ 0.8 ┃ 2.1 ┃ 1.3 ┃ 3.8 ┃ ┗━━━━━━━┻━━━━┻━━━━┻━━━━┻━━━━┻━━━━┻━━━━┛ 2 Rijke-ZT型脈動(dòng)生物質(zhì)燃燒爐的頻率公式 圖3是用來(lái)推導(dǎo)Rijke-ZT型無(wú)閥自激脈動(dòng)生物質(zhì)燃燒爐工作頻率的示意圖。 將該生物質(zhì)燃燒爐劃分為4個(gè)區(qū)域I，II，III，IV。嚴(yán)格地講，工質(zhì)空氣從進(jìn)氣口1進(jìn)入生物質(zhì)燃燒爐后，溫度在不斷變化。在熱源處空氣接受大量熱量而使溫度達(dá)到最 Rijke-ZT型脈動(dòng)生物質(zhì)燃燒爐的頻率特性研究 3討論 為了考核本文推導(dǎo)的頻率計(jì)算公式(12)和(13)的適用性，我們還用過(guò)去實(shí)驗(yàn)中得到的數(shù)據(jù)與用式(12)和(13)計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較。一組是燃煤的Rijke-ZT型脈動(dòng)生物質(zhì)燃燒爐，一個(gè)是燃油的多管Rijke-ZT翌脈動(dòng)燃燒器，它們的尺寸見(jiàn)表4。計(jì)算的結(jié)果和測(cè)得的頻率值列于表5。 表5燃煤、燃油Rij ke- ZT燃燒器的實(shí)測(cè)頻率與計(jì)算頻率對(duì)比表 ┏━━━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┳━━━━━┓ ┃ 燃燒器編號(hào) ┃ 燃煤1 ┃ 燃煤2 ┃ 燃煤3 ┃ 燃油l ┃ ┣━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━┫ ┃ 實(shí)測(cè)基頻/Hz ┃ 70 ┃ 60 ┃ 75 ┃ 30 ┃ ┣━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━┫ ┃ 計(jì)算頻率/Hz ┃ 70.0 ┃ 62.3 ┃ 78.2 ┃ 30.5 ┃ ┣━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━┫ ┃ 誤差% ┃ O ┃ 3.8 ┃ 4.3 ┃ L7 ┃ ┗━━━━━━━┻━━━━━┻━━━━━┻━━━━━┻━━━━━┛ 從表3和表5看出，在不同的結(jié)構(gòu)尺寸和不同的熱源條件下，式(12)和(13)均能較好地計(jì)算Rijke-ZT型無(wú)閥自激脈動(dòng)燃燒器的諧振基頻，誤差均在5Vo以內(nèi)。 需要指出的是，由于進(jìn)氣段、燃燒室和出氣段中氣流的溫度沿軸向是變化的，在取平均溫度時(shí)可能引入一些誤差，所幸的是，用式(12)或【13)計(jì)算頻率時(shí)，引入的少量誤差幾乎不影響頻率計(jì)算值。我們以試驗(yàn)器編號(hào)No．2為例進(jìn)行了計(jì)算，當(dāng)死- 150。時(shí)，計(jì)算頻率為83.03 Hz，當(dāng)疋改變?yōu)?400和1600（其他參數(shù)均不變），計(jì)算頻率分別為83.01 Hz和83.05 Hz，我們認(rèn)為該試驗(yàn)器的主頻為83 Hz是足夠準(zhǔn)確的，其誤差在0.6Vo，工程上已足夠用。 值得注意的是，這絕不是說(shuō)溫度分布對(duì)頻率計(jì)算沒(méi)有影響。相反，從式(12)和(13)看出，溫度分布形成的~／凳，√凳，√凳等等對(duì)諧振頻率產(chǎn)生直接髟響。我們又以試驗(yàn)器編號(hào)No．2為例進(jìn)行了計(jì)算。在幾何參數(shù)不變的條件下，將溫度分布取用燃油脈動(dòng)燃燒器的。計(jì)算結(jié)果表明，諧振基頻從83 Hz上升到107 Hz。由于聲速與工質(zhì)溫度有關(guān)，因此溫度升高必導(dǎo)致諧振頻率的提高，這是可以理解的。 4結(jié)論 (1) Rijke-ZT型自激脈動(dòng)生物質(zhì)燃燒爐的工作基頻不僅與其形狀和尺寸有關(guān)，而且與工質(zhì)在生物質(zhì)燃燒爐內(nèi)的溫度分布有密切關(guān)系。 (2)當(dāng)Rijke-ZT型燃燒器的工質(zhì)溫度分布分段用其算術(shù)平均值來(lái)處理時(shí)，用公式(12)計(jì)算所得主頻與實(shí)際測(cè)得的工作基頻的誤差在5Vo以內(nèi)，能滿足工程使用要求。 (3) Rijke-ZT型自激脈動(dòng)燃燒器的工作基頻只與其形狀、尺寸和溫度分布有關(guān)，而與熱源的性質(zhì)（燃煤、燃油或電加熱等）無(wú)關(guān)。
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