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1、从嵌入式多孔介质往复流燃烧换热器中提取能量 Fabiano Contarin William M.Barcellos Alexi V.Saveliev Lawernce A.Kennedy 摘要多孔介质中的超绝热燃烧，可以使极贫的甲烷/空气混合物稳定燃烧。多孔介质中自身的热量传递过程和气固相之间很低的热的非平衡，以及固相温度不超过1600K,使得得到极低的CO和NOx排放。由于这个过程的瞬时特性，本文设计出一种将非稳态燃烧限定于燃烧器的一种方法。往复流动燃烧器(Reciprocal Flow Burner,RFB)是有效且简单的系统，要达到这一点，需使反应区沿燃烧器的长度往复流动。最终在反应器
2、中央区域形成相对平缓的温度曲线。嵌入式换热器具有高效，低污染排放的优势。本文报道实验结果被并与早期的数字模型相比较，以便更好的理解从RFB提取热量。关键词 过滤燃烧，多孔燃烧，换热器，过程加热器介绍作为内部的自我组织的热回流过程，预混气体多孔介质中燃烧与自由火焰存在着极大不同。这种差异可以归因于两个主要因素：高度发展的内表面积导致气体和多孔介质固体之间的高效传热；多孔介质中强烈的气体混合增强了有效扩散与气相传热。它是一个内部地自我组织的热回流过程。通过强制的边界条件，将燃烧区域限制在在一个有限的多孔介质燃烧器内。然而，在一个无限制的均匀多孔介质中，它的燃烧区域是传播的，并且能够自由以热波和燃烧
3、波叠加的反应区域向下游或上游方向传播。无限制的系统是本研究的焦点。气固之间强烈的热量交换，造成气固相之间很低的热的非平衡和热波与燃烧波的形成。按照Babkin的分类1，这种情况一般对应于低速波的传播机理。燃烧区域的传播导致在起反应的气体和固体多孔介质之间有着正向或逆向的焓流动。结果，观察到的的燃烧温度可区分于绝热阶段焓的初始反应和被化学反应与传热结构控制的不同。上游波传播，逆流于气流，导致了亚超绝热燃烧温度2，而下游波的传播导致超绝热燃烧温度大大超出了绝热温度3。超绝热燃烧极大地扩展了常规可燃极限，对于超低的热值混合物的燃烧区域当量比的范围扩到0.1到0.5。稀薄的混合物和低燃烧温度的共同作用
4、使超绝热燃烧器能够得到极低的氮氧化物和CO的排放4。研究超绝热火焰的Kennedy5-9和Drayton10等人指出现代的瞬态多孔燃烧器包括燃烧低热值燃料，挥发性有机化合物的排放控制与热量回收。导热系数和热容很大的多孔介质固体使燃烧发生在换热器附近。多孔介质能够蓄积反应产生热和并将热量传递到较冷的部分换热器。这大大地提高了从燃烧区提取热的效率。稳态和瞬时系统是多孔燃烧中普遍使用的二种主要设计方法。以往的研究中，从多孔介质燃烧器中提取热量的研究都是基于稳态方式。在多孔介质辐射式燃烧器11,12和表面式燃烧加热器中嵌入冷却管13-15，是这种方法的典型例子。瞬时燃烧烧器尽管结构较为复杂，然而由于它
5、具有发生超绝热燃烧的性能和较高的热效率，因此能带来一些好处。RFB的特点非稳态现象引起的问题是：将燃烧限定在实际的燃烧器内。RFB系统就是解决上述问题的简单而有效的方式。在RFB中，通过对入口气流的周期性的换向或反之亦然，以便将燃烧区域限定在有限的燃烧器内同时获得瞬时行为。通过调整周期逆转的阶段，可以在反应器中得到平缓的温度曲线16。往复流动燃烧器系统目前已经成为数值和实验的研究对象17-19。在研究者较早的工作中18，数学模型研究了RFB作为过程加热器的可能性。在目前的工作中，这个新的热量提取的策略，是利用在换热器多孔介质终端嵌入两个独立的组件。往复流动瞬态燃烧的反应可以燃烧热值极低的混合物
6、，拓宽了传统的自由空间中燃烧的可燃极限。此外，由于燃烧温度极低（1600 K，氮氧化物的排放是非常低的。使用RFB提取热量的优势在概念上，使用该RFB获得热量提供了比常规多孔介质燃烧器两个主要优点：1.它能够在超绝热机理中操作，从低热值混合物燃烧中提取热量。2.由于交替反应区域是建立并维持在燃烧器中心，所以在燃烧器内可以得到马鞍形温度曲线。这种在侧向出口区域安置热交换器，相对远离反应区域，使得火焰不熄灭，因此，产生相当数量低的CO。以RFB的特点，采用早先发展的数值模型研究热量的提取18。基于详细的热传递和单步的化学机理来预测工作参数的影响。简而言之，该模型求解三个非定常微分方程：固相能量守恒
7、方程： (1)气相能量守恒方程: (2)组分守恒方程: (3)这里，每单位体积产物的生成速率由Arrhenius定律计算： (4)这里认为气相是一种广义上的混合物，仅由两种物质组成：反应物和生成物。关于详细的表述，见文献18。图1，2和3说明了RFB中温度曲线的演变过程。图1是绝热较好的反应器，图2是有径向热损失的反应器，图3说明有热提取的反应器。图1显示了一个绝热良好的反应器，通过壁面的热损失认为是零。新鲜的反应物在常压下通过入口，在燃烧器出口排向大气中。之后，启动燃烧波开始在RFB中预热，它往复运动建立反应器长度中心附近的一个温度廓线。随着时间的流逝，这个峰谷在反应器中的长度增长并且变宽。
8、在这台反应器得到的峰谷中央温度是能量提取或化学处理的理想过程。图2在当量比为0.35时，显示的通过燃烧器壁面径向热损失大小一样时的数值计算结果。在燃烧器的中心区域，演变的温度分布是一个类似于山谷形状。图3显示的是，当燃烧器的中心区域有效地限制反应区域时，热交换器对温度曲线的影响。实验系统一根长50厘米，内径7.6厘米纵向放置的石英管，在其内部充满5.6毫米固体氧化铝颗粒，形成一个宽松的填料床，其孔隙率约为40%。厚度3mm的陶瓷纤维绝缘材料布置在氧化铝小球和管墙之间。图1温度曲线图形成于完全绝热图2温度曲线图形成于在RFB中存在径向热损失在多孔介质管内，反应器的两端放置铝法兰，维持系统气密性，
9、并与周围环境隔绝。从多孔介质的燃烧室预热开始就操作使用石英管外表面的一台电子加热器，往复式空气流通系统已开始运作，以维持一个均匀的内部温度。当多孔介质中的任何点达到1200 K.之上的一个温度时，燃烧过程会自动启动。随后，反应波将在反应器的长度上往复，在燃烧器的中心建立一个相对稳定的高温区。气体流速（过滤速度）试验中使用的是选定的范围，由0.15至0.45m/s。如前所述，这个范围对应于Babkin1定义的燃烧波低速度传播。大多数实验半周期时间为100 s。从燃烧过程、温度分布稳定和良好的蓄热方面看，这个半周期是具有优势的。从RFB抽取的热量是通过安置在反应器终端部位的二个热交换器完成的。热量
10、提取示意见图4。换热器包括多孔介质安置在燃烧室的末端和埋置的铜管线圈。由于它们的存在，反应区被压制在反应器的中部。图5提供了一个详细提供了换热器安装在一段燃烧室的底部的尺寸。在所有实验中，图5按在RFB终端部分的换热器温度测量是由0.2毫米直径的S型热电偶测得的。这些热电偶被轴向地安置在了沿反应器的轴方向距入口和出口50 mm间隔的地方。在反应器出口处采集的气体样品被Varian模型3600气相色谱仪和一台热环境仪器模型42H chemiluminence氮化物分析仪分析。所有热电偶信号由一个数据采集系统数字化，作为气体分析仪的数据。实验中所用的燃料为甲烷。图3 温度曲线图形成于在反应器中存在
11、径向热损失与横向热提取图4实验RFB布置与往复流系统结果和讨论 在本研究中，实验和数值结果表现出重要参数的影响力：气体流速，当量比，热损失及换热器的长度。同时，还报道污染物的排放量和热效率。数值预测的结果与实验数据进行比较。图6表示对于一个当量比0.36，气体流动速度0.30 m/s和半周期100 s时，数值预测的结果和实验的温度曲线图的比较，数值预测的结果准确地预测了燃烧室内的温度。 在下面的数字和实验性结果，分析参数对RFB温度曲线图的影响。换热器对温度曲线的影响图6模拟和实验性温度曲线图与换热器图7换热器对实验性温度曲线图的影响 图7为实验结果，表明当量比在RFB中有无换热器对温度曲线图
12、的影响。值得注意的是，不提取热量，反应区域只有在当量比小于0.45时才能稳定。提取热量是有可能增加当量比的化学计量。图7表明，当使用换热器时，该梯形温度分布较为一致。在燃烧器末端或通过尾气排放，由于辐射和对流损失的热量由换热器吸收，减少排气温度，从而提高热效率。热损失对温度曲线图的影响图8 RFB中热损失对温度分布的影响。数字在RFB中央区域显示热耗系数。数值结果图8显示，径向热损失对温度曲线图有很强的影响，特别是在燃烧室的中部。提高热损失系数降低反应器中点周围所在温度。最高温度略有下降。在反应器的末端，由于存在换热器，温度变化小。使用的实验配置中，在反应器中间的热损失系数接近330 W/（K
13、）。当量比对温度曲线图的影响图9.显示的数值计算的结果，表示在一恒定气体流动速度时。，当量比对温度曲线的影响。它表示随着当量比的增加，高温区加宽并且高峰温度增加。侧面温度梯度非常大。实验性结果图10 也表示，当量比增加高温区向燃烧室的末端扩展，并且高温区与当量比是独立的。计算的随当量比变化的最高温度在于被简化的反应模型和过滤速度。被预测温度曲线图的演变从唯一最大值到梯形形状的产生，由模型证实。同样应该指出的是，如果没有径向热损失，温度廓线中心地区是平的。当量比从极低的数值0.12开始增加，实验稳定温度曲线图将会从一个唯一最大值演变到有二个温度峰值的扩展平台。在没有径向热损失时，这个单一最高点将
14、演变成更宽广的温度平台。图9 在RFB中当量比对温度分布的影响图10 在RFB中实验温度发布记录了提供混合物当量比的变化。 气体流动速度对温度曲线图的影响 如图11所显示，气体从0.15到0.45 m/s变化，数值模型预测的最高燃烧温度会从1350提升到1600 K。图12显示了相应的实验结果。如图所见，模拟和实验之间相当一致。当气体流动速度增加时，温度曲线图最大值显著地增加。图表13显示尾部中线处排烟温度随当量比的增加而线性增加，但始终低于60 。相关对流换热损失占不到总功率的1%。图11在RFB中，气体流动速度与温度分布的对应关系图12显示在RFB中，不同进气流速与实验温度分部的对应关系N
15、Ox 和CO的排放如图14所示，在一个半周期内，CO和氮化物排放量在极低平均值附近变化。由于温度分布的不对称，该振荡周期运用全周期，而非一个半周期内。图15和16分别显示出当量比对CO和氮化物排放的影响。在当量比为0.15时NO的排放量少于1 ppm, 在当量比为1时NO的排放量少于16ppm。实验中观察到，在较高的气体流动速度时会产生较高的NO。当当量比从0.2到0.7变化时，CO的排放量的范围是4到10 ppm。CO的增长对应于两种工况：接近熄火（当量比小于0.1）和化学计量系数（当量比等于1）。增加气体流动速度导致CO增加。应该指出的是，这种燃烧器运行处于一个极低的当量比0.2 到0.5
16、，相对应 NOx和CO的排放低于3到 8 ppm。图14 实验污染物的排放量与时间的函数关系图13 实验排气温度与当量比的对应关系图15实验NO排放量与当量比的对应关系图16实验CO的排放量与当量比的对应关系热量提取效率 图17说明热转换器的功率输出摆动是最大值的75%。单独换热器瞬时功率的测量，是通过测量一个水质量流量，水的热容量和温度的上升。高温废气流程加热换热器位于反应器的末端。同时，来的冷混合物冷却另一换热器。当加热水蒸汽被凝结，该相热交换功率输出补偿它。结果整体提取的功率展示波动近20%。在RFB中热萃取的效率可认为是蒸汽和流动的燃料/空气混合物提供的总的化学能之间的平均功率。燃烧器
17、的实际热效率被定义： (5)化学功率是平均提取功率，正比于燃料流动速度，燃料的低热值和蒸汽功率。 (6)图17 实验输出功率与时间的函数关系从图18看出实验测量的热提取效率占总量的70 至80 。在当量比和小变化气体流动速度从0.2到0.3 cm/s时，效率显示小增量。同时，化学和提取功率是变化范围从100到4000W（图18），显示高热量提取的稳定变化。拥有高转换率是RFB的特点，由于可以在内部自己调整反应区和燃烧的温度曲线。因此，高效率并能持续一个广泛的当量比和气体流速。图18 实验热提取功率与当量比的函数关系图19 在RFB中实验和数值计算的效率待添加的隐藏文字内容3图19显示，被测量的
18、实际效率与当量比从0.15到0.7的数值预测效率的比较。当试验效率从70%到80%时，数值预测更高的变化。部份解释是数值预测为一个恒定的径向热耗系数，而实际的径向热耗系数被实验性参量所改变。例如，最高温度受当量比影响。或者说功率损失通过墙壁和径向热损失系数在每一个试验中。使用可变的径向热损失系数，使我们能够得到一种正确数值预测实验效率和数值效率（图19）的方法。此外，应该指出的是，实际热提取效率实验记录会受到径向热损失的强烈影响。这个作用对小实验性设定是特别强的以高区域容量比率。最理想的热量提取效率定义为一个理论极限的实际效率，在没有径向热损失，可以预计从实验数据使用以下表达： (7)代表对流
19、换热损失，由产物流动速率和排气温度确定。 (8)从我们的数据中估计，对于RBF最理想的热量提取效率，是在输入低浓度气速为0.3米/秒的气体和出水温度为325K时产生的。满足所有试验条件，被测量的效率超出90%，当量比低于常规的可燃极限。高效率的理想值显示，大部分的燃烧释放的能量能有效地被转移，可以通过填充床的热萃取体系。另一种在RFB中评价能量转移的方法是通过测量热回流效率来实现的，用以下定义表达： (9)这个效率显示，废气温度如何接近温度环境。热回流效率100%对应于废气温度与室温相等。被测量的热回流效率从70%到90%。理想和实际效率对比，热回流效率随着当量比和气体流动速度的增加而下降（由
20、于排气温度高）。结论本文开发和测试了一个新概念的多孔RFB热量提取。主要结论归纳如下：1.当量比范围为0.10到1在RFB中可以稳定燃烧。2.换热器在RFB中的使用是有利的，不仅在于高效率的能量提取和低污染物排放，而且在于高度稳定和拓宽了燃烧器的操作范围。3.RFB的特点是排放非常低的NO和CO。当当量比为0.15时NO的排放低于1 ppm，当量比为1时NO的排放低于15 ppm。当量比在0.2到0.7 时，CO的排放摩尔分数4到10 ppm。4.发展单步模型与实验比较。模拟数值温度廓线能准确地预测实验数据。5.在实验研究参数中，当量比及气体流速对温度曲线有着最重要的影响。6.当量比从0.10
21、 1.0 范围，效率从70 增加至80 。致谢感谢国家科学基金会支持通过格兰特第CTS-9812905承认Grant No. CTS-9812905.命名法Af 指数前因子C 多孔介质热容Dax 轴向弥散系数Dg 气体弥散系数Ea 活化能Hchem 反应热hp 焓值（kJ/mol）hv 对流换热系数k 导热系数ks* 有效导热系数LHV 低热值 质量流量P 功率R 通用气体常数T 温度V 速度X 轴坐标yp 产物质量分数W 体积反应速率希腊符号 热损系数 孔隙度 当量比 密度t 周期上下标Conv 对流 Exhaust 排气Extr 提取G 燃气R 辐射Room 空间S 固Water 水参考文
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