关于扩散式生物质颗粒燃烧机烧嘴砖形状
扩散式生物质燃烧机属火道式无焰燃烧器,其火道(烧嘴砖)是生物质颗粒燃烧机的重要组成部分,其型式直接影响火焰形状和燃烧状况。在设计生物质颗粒燃烧机时应给予足够的重视。旋转气流的状态
气流旋转能量是形成平面展开气流的动力。为了决定烧咀砖的型式,必须弄清烧咀砖形状与旋转气流的联系,分析旋转气流射流的状态参数及其分布规律。
由流体力学知道实际旋涡是由强制涡和自由涡组合而成。扩散式生物质燃烧机内产生的旋转流体,可以是多股旋转流体、也可以是由一种主流体带动的流体。我们把这种旋转流体看成为厚度很小的绕生物质颗粒燃烧机通道轴线旋转的圆形旋涡(因为该旋涡是在外力和粘性力的强制作用下产生,故称之为强制旋涡。)当旋涡射入大气时,则在涡核外部形成自由旋涡。
为了分析简便,我们把此气流看成定型气体流动,流体是理想的,即无粘性;但又是可压缩的,任意点上的三个分速度V。
下面我们来分析二元旋涡内、外压力分布和速度分布情况。参见图1。
在定型气体运动情况下,旋涓内部压力分布可用欧拉方程表示:
通过采用音速喷咀对目前城市煤气计量中使用最广泛的膜式煤气表和罗茨流量计的标定,结果表明:以音速喷咀作为煤气流量计的传递标准器是切实可行的。它具有精确度高、复现性好、性能稳定、尺寸紧凑、校标方便等优点,特别是对大流量气体流量计的标定问题,如采用音速喷咀来解决,将是有效的途径之一。
所以,旋涡在边界上的压力降等于旋涡边界上的速度头,而旋涡中心的压力又比边界压力降低了一个速度头。旋涡内部(垂直于旋涡轴线的任一截面上)的压力呈抛物线规律分布,见图2。
当旋转的角速度0)-定时,切向速度V与旋转半径r成正比。旋涡内部径向切线速度呈线性分布,如图3所示。
有些资料介绍,旋涡强度Q≤0.6时,【刀向进风的旋流产生的切向速度的径向分布曲线与旋流强度的所有数值,从距离喷管出口两倍直径处即呈相似性,势核对V(切向速度)剖面的影响比对u(轴向速度)剖面的影响来得小,从而使相似性在更靠近喷口的位暨实现。切向速度剖面内部一段几乎是呈线性的,相当于固体式旋转,而外部是自由涡型运动。
对弱旋流扩散火焰,轴向速度比V/Vm在径向分布与r/(x +a)比值具有相似性,可用高斯方程表示。
2.旋涡外部的速度分布和压力分布
(1)旋涡外部的速度分布
关于旋涡外部(自由涡)速度分布的律,仍以理想气体进行推导。设旋涡外ds环面上,其环量为:
若号≥及弓}的单位为孤度/秒,则Z轴上的角速度为:理想气体在循环流动中的速度与其至旋心的距离成反比,与刚体运动的情况相反,
(2)旋涡外部流体的压力分布
旋涡外部流体以自由涡的型式流动。旋涡外任一点.上的压力可以用拉格朗日——柏努利方程来决定:
从上式可以看出随着接近旋涡,速度V按双曲线规律增长,而压力则降低(压力径向分布按双曲线规律)。最小压力在涡核边界上,此处速度等于V。。涡核边界上的压力可用下式确定:
即涡核边界处压力降低。这种现象的存在,在自然界中造成旋涡吮吸周围物质的性质。它将形成新的涡旋。对气流的径向扩展
综上所述,我们可以把旋涡内外的压力、速度分布绘成图6。
人们用水进行强制涡和自由涡的试验,可以看到旋涡流体表面曲线与旋涡压力分布曲线一致,这对我们分析生物质燃烧机烧咀砖曲面形状很有帮助。
烧嘴砖选型
上面对旋涡内、外压力分布、速度分布状态的分析,为我们讨论烧咀砖形状提供了理论根据。烧咀砖的作用之一就是使旋转射流较容易地呈现一定的流型。具体到平焰燃烧来说,就是要使旋转射流形成平面气流(此气流若是燃气和空气混合物,经点火即形成平面火焰)。因此要求烧咀砖内部形状最好与旋转气流流型一致,避免形成外部旋涡,减小阻力损失,以利于气流的附壁和平面扩展。下面我们就根据旋转流体旋涡的特性对烧咀砖形状进行讨论:
1.根据强制旋涡压力分布曲线选型
从生物质颗粒燃烧机环形通道流出的旋涡属于圆形强制旋涡,其径向压力分布为抛物线型。如要保持这个旋涡流出通道后仍按抛物线型前进,就必须做一个与此旋涡流面相适应的抛物线型烧咀砖。这样才能避免在涡核边界上形成诱导速度和旋涡,并使旋转射流前进较大距离。但由于旋转射流半径较小,故烧咀砖必须做得很长、很大。实际应用中,不可能将烧咀砖做得太长,而是比较短。因此,旋转气流流出烧嘴砖之后,仍有~定的轴向速度,而径向速度较小,不能形成充分平展的气流。这种火焰(气流)对流作用强,而辐射作用较差。所谓碗形烧嘴砖所形成的气流就是这种情形。碗形曲线相似于抛物线,
当然把烧嘴砖做成与加热空间和旋涡大小一致那是最理想的。
2.按自由旋涡压力分布选型
为了使旋转射流在径向有更大的扩展直径,形成平展气流,增强火焰的辐射面积,我们利用射流的附壁效应和自由旋涡压力分布特性,设计出双曲线形烧嘴砖。其设计思想就是把从平焰燃烧通道流出的旋涡看做实际旋涡。它一边沿双曲线型的烧嘴砖轴向前进,一边向径向扩展。这个双曲线不是涡核吸入周围气体形成的自由涡压力分布曲线,而是烧嘴砖的曲面,因此旋涡外部不会形成诱导旋涡,从而减小了摩擦阻力损失。在离心力和附壁效应作用下,气流将以更大的径向速度扩展,形成平展气流,增大了气流平面。
但是,在实际使用中,我们感到双曲线型烧嘴砖加工比较复杂,往往把它简化成直线张角或圆弧曲线张角。
(1)简化成直线张角
因为双曲线及其渐近线的方程为:因此,我们可以得到较大的张角,这种张角正是我们可用的一种烧嘴砖型式。通常称之为大张角型。
对于紊流自由前流,流体扩张角可以用经验公式计算出来。紊流自由射流张角见。
实验证明,烧咀砖扩张角2a<30。时,气流扩散角0随旋流强度Q变大而增强,烧咀砖扩张角2a对气流扩散角0影响不大,即导流不好。
当30。≤2a≤70。时,火道导流作用显著,2a角对e角影响很大。而旋流强度Q对e角影响却很小。
当2a> 70。时,如果Q较小,烧嘴砖失去导流作用。O突然减小,气流与火道之间产生了“脱体”现象,如果Q较大,气流与烧咀砖、炉墙之间的负压将大于气流轴心的负压,气流向四周张开,0突然扩大,气流附壁运动,形成平展气流。随着Q增大,平展气流稳定性增强,见图12。所以只需要有足够大的旋流强度和合适的烧嘴砖扩张角,就可获得平展气流。一般烧嘴砖扩张角选70~80。。
“采用扩张型烧咀砖作为延伸段具有使轴向和切向速度峰值之间径向隔开距离加大,并使反向质量流量加大的综合影响。”
烧嘴砖推荐长度L = c1~2)d,其中d是喷管喉部直径。
火道扩张角与气流扩张角的关系0大于100。很容易向径向展开,形成平展气流。因此我们设想,使烧嘴砖扩张角大于100。也能很容易形成平展气流。而使气流扩散角大于100。是比较容易的,事实上人们在调焰生物质颗粒燃烧机中已使用张角为120。的火道,并获得良好的平面展开气流。当然此时圆通道与烧嘴砖扩张角的结构关系以及扩张角的深度都与前面有所不同。
(2)圆弧形曲线——喇叭口型曲线
为了使曲线简单便于加工,同时又接近于双曲线,我们可以用圆弧曲线代替双曲线,圆弧曲线和旋转气流通道出口外沿相切。因略去了双曲线的下半部分。故称为喇叭口曲线。
关于喇叭口型烧嘴砖,资料介绍曲率半径R= 0.8~2.OD范围内的都能形成平焰。用中压空气做旋转流体来带动直喷口喷出的低压焦炉煤气的生物质燃烧机,对喇叭口曲率半径R= 0.7~3.5D的14个烧咀砖进行试验,结果表明都能形成平面火焰。但当R=o.7.D时较困难,它需要足够大的旋流强度和火道深度。R=l.0~2.OD容易形成平焰,而R= i*i~i,sD时气流附壁性最好,火焰直径很大。R>2.OD时火焰直径减小向烧咀砖内移动,R=O即张角为1809时不能形成平面火焰。
喇叭口型烧咀砖曲率半径选择遵循下列原则:使用高热值煤气时,装在侧墙上的燃烧器R取较大值,使R= 1.5~2.OD;而装在炉顶上的生物质颗粒燃烧机R取较小值,使R=1.2~i.sD。负荷大时或旋流强度大时取下限,负荷小或旋流强度小时取上限;低热值煤气取上限,高热值煤气取下限;煤气压力大时取上限,煤气压力小时取下限;但烧咀砖曲率半径增大,其体积也增大,必须选择适当。
一般旋转气体为空气,直喷气流为可燃气体。因此两种气体必须在一定的轴线速度下才能很好地混合。资料介绍,采用直喷口时煤气出口速度一般取12~20米/秒,我们用焦炉煤气试验,其速度在2.7~13.1米/秒,均能形成平焰。但是在确定煤气轴向出口速度时必须注意与空气轴向速度的比例关系。实验中得出V空/V煤气=0.9~2.9范围内最好。低于0.76时火焰开始内卷,高于3时火焰变化很小。一般取煤气出口速度低于空气出口速度1~2米/秒为好。
(3)大张角与圆弧曲线的关系
直线和圆弧曲线型烧咀砖都是从双曲线型简化来的,他们之间存在着一定的内在联系。下面我们作一些计算分析。
令烧咀砖深度为H=iD,园弧与通道出口内壁相切于E点,以不同曲率半径R= nD作圆弧曲线,将如现以下情况:
(i)n=1时,弧线与烧咀砖出口平面K-K相切于B点,BE直线与通道轴线或EF线成夹角0【,a= 45。。见图10。
(ii) n>l时,圆弧曲线与K-K面有两个交点A、C,而且圆弧曲线最低点为B,B点在K-K面上的投影是B”点,直线B”E与EF构成夹角cc,见图11。
从以上的计算分析可阻看出:
(a)张角和圆弧形曲线均有使旋转气流扩散角放大的作用,而且圆弧形曲线包含有多个不同的张角,故可使气流逐渐放大。曲率半径大的弧线可以使旋流强度低的气流形成平展气流。
(b)从圆弧曲线中可以推导出一个合适于导流的张角区域,它为30。~130。之间。这是因为烧咀砖扩张段长度一般为1~2D,若我们把长度定为1D,则R=2D时的导流点在K-K上投影形成的夹角为126,8。,最小夹角为30。。所以可以说,圆弧曲线与上两张角的区域等效。当R>2D时,最小夹角iD时导流较好。
(c)当烧咀砖长度减小时,为了达到较好的导流效果,相应张角应增大。实验中我们知道R= 0.7D形成平展气流比较困难。当H= 0.7D时,最大张角(仍按R=2.OD最低点投影)为140.1。,而H=o.8D时,最大张角为136.4。,所以我们说夹角不大于135。好。
通过分析我们可以得到以下几点结论:
(1)扩散式生物质燃烧机烧咀砖内曲面可以按实际旋涡压为分布规律所形成的曲面做。其简化形式有大张角型和喇叭口型的,还可以做成大张角与喇叭口混合型的。混合型烧咀克服了前两种的缺点,保持了其优点。体积也小,但加工稍复杂些。
(2)大张角形烧咀砖张角介于30。~135。之间,一般70。~80。最好。旋转强度大,且火道适当改变时,也可取120。左右。小于30。导流不好。
(3)喇叭口型烧咀,曲率半径R=0.7~3.5 D均可形成平面火焰,一般R=i.i~i.sD最好。
(4)大张角和喇叭口型烧咀曲线型式不同,然原理相同,曲率半径R与对应张角的计算与实验规律一致。