多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)的擴(kuò)散燃燒
摘要：設(shè)計(jì)了多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)．進(jìn)行了微生物質(zhì)燃燒機(jī)的擴(kuò)散燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究，得到了其燃燒效率、出口尾氣溫度、壁面溫度和熱損失率隨燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)的變化規(guī)律．實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在較寬的操作范圍內(nèi)，微生物質(zhì)燃燒機(jī)具有較高的燃燒效率和出口尾氣溫度，而且隨著燃燒功率和過量空氣系數(shù)的增大，微生物質(zhì)燃燒機(jī)的壁面溫度和熱損失率反而減小．分析表明，采用回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)相向的進(jìn)氣方式，使得反應(yīng)氣體的流動方向與散熱方向相反，有效回收了熱量損失，提高了微生物質(zhì)燃燒機(jī)的熱效率和出口尾氣溫度．所設(shè)計(jì)的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)對開發(fā)微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)具有重要應(yīng)用價(jià)值．
徽燃燒透平系統(tǒng)[1-2]由于具有能量密度高、體積微小等優(yōu)點(diǎn)，可作為微動力系統(tǒng)為微型飛行器、微小衛(wèi)星等提供動力，或者作為微型電源為單兵系統(tǒng)或便攜電子設(shè)備等提供電能，因此，微燃嬈透平發(fā)電系統(tǒng)在、民用領(lǐng)域都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)問題之一．微生物質(zhì)燃燒機(jī)是微燃燒透平(50706046, 51176174)：河南省高等學(xué)校青年骨干教師資助計(jì)劃項(xiàng)目；杰出青年資助曹海亮等：多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)的擴(kuò)散燃燒系統(tǒng)的關(guān)鍵部件．隨著尺度的減小，微生物質(zhì)燃燒機(jī)的表面積體積比∞／功卻反比增加，導(dǎo)致微生物質(zhì)燃燒機(jī)的熱損失相應(yīng)地增大‘3]．在早期的實(shí)驗(yàn)研究‘41中，微生物質(zhì)燃燒機(jī)的熱損失非常大，甚至超過70%，燃燒產(chǎn)生的熱能僅有少量轉(zhuǎn)換為電能，導(dǎo)致微燃燒透平系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率很低‘5]．因此，開發(fā)熱效率高、操作范圍寬、熱損失小的微生物質(zhì)燃燒機(jī)是開發(fā)微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵．
多孔介質(zhì)燃燒是一種新穎的燃燒方式，一些學(xué)者進(jìn)行了多孔介質(zhì)的預(yù)混燃燒研究[6-7]．當(dāng)反應(yīng)氣體經(jīng)過多孔介質(zhì)材料時(shí)，與比熱容較大的多孔材料之間進(jìn)行換熱，大幅度提高自身熱焓，實(shí)現(xiàn)超絕熱燃燒，因此多孔介質(zhì)燃燒具有燃燒效率高、燃燒強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)．因此，筆者結(jié)合了多孔介質(zhì)燃燒的優(yōu)點(diǎn)開發(fā)了新型多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)．
在基于微燃燒的微動力系統(tǒng)中，厘米級的外形體積導(dǎo)致了氣體通道非常短小，在較低的雷諾數(shù)下和較短的微小通道內(nèi)，燃料與空氣的混合非常困難，因此，目前學(xué)者進(jìn)行的微燃燒的實(shí)驗(yàn)研究大都避開了燃料和空氣混合的問題，而采用預(yù)混進(jìn)氣考察微小尺度下微生物質(zhì)燃燒機(jī)的預(yù)混燃燒特性[8-10]．另一方面，受微燃燒室的加熱，在微通道內(nèi)氣體溫庋被顯著提高，燃料的最小熄火界限拓寬，預(yù)混氣體在微燃燒室前的氣體通道內(nèi)就可能燃燒．基于以上兩種因素，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了空氣和氫氣分別進(jìn)氣的新型微小多孔介質(zhì)回?zé)崛紵鳎M(jìn)行了微小尺度下氫氣的擴(kuò)散燃燒特性的實(shí)驗(yàn)研究．
1  多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)的結(jié)構(gòu)和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
1.1  多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)的三維結(jié)構(gòu)

微生物質(zhì)燃燒機(jī)的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外徑為@30 mm，高度為11 mm，氫氣通過周向均布的3根內(nèi)徑為痧1.5 mm的不銹鋼管進(jìn)入氫氣環(huán)室，然后通過0.4 mm的環(huán)形間隙（氫氣噴嘴）噴入燃燒室．空氣通過周向均布的3根內(nèi)徑為痧1.5 mm的不銹鋼管進(jìn)入間隙為0.5 mm的回?zé)釆A層，然后通過上下兩塊多孔介質(zhì)板相向噴入燃燒室，并與氫氣混合，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散燃燒．微燃燒室的高度為5 mm，外徑為21 mm．在微燃燒室內(nèi)的氫氣噴嘴處安裝一點(diǎn)火電極，通過高壓放電實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火．燃燒后的尾氣通過痧2.5 mm的尾氣出口噴出微生物質(zhì)燃燒機(jī)．為了防止空氣從多孔介質(zhì)板的中心區(qū)域直接短路流出生物質(zhì)燃燒機(jī)，強(qiáng)化空氣和氫氣的混合湍動程度，多孔板采用不同孔隙率的梯級分布，靠近中心區(qū)域的多孔介質(zhì)板的孔隙率較小，而靠近氫氣環(huán)形噴嘴的多孔介質(zhì)板的孔隙率較大．微生物質(zhì)燃燒機(jī)的材料為不銹鋼(OOCr17N114M02)．多孔介質(zhì)板則采用泡沫鎳板．
1.2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)
圖2是多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)燃燒的實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)示意，整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由氣體質(zhì)量流量控制系統(tǒng)、多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和尾氣成分分析系統(tǒng)組成．氫氣和空氣分別經(jīng)過精密減壓閥和精密質(zhì)量流量控制器進(jìn)入微生物質(zhì)燃燒機(jī)，氫氣和空氣的質(zhì)量流量測量均選用D07-19A型質(zhì)量流量控制器，測量精度均為±1% F.S．氫氣質(zhì)量流量控制器的量程為1SLM，為了適應(yīng)較大的空氣質(zhì)量流量測量范圍，采用量程分別為5 SLM和10 SLM的兩塊質(zhì)量流量控制器并聯(lián)來測量空氣的質(zhì)量流量．?dāng)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要用來測量微生物質(zhì)燃燒機(jī)的出口尾氣溫度、生物質(zhì)燃燒機(jī)外壁面溫度和外界環(huán)境溫度．實(shí)驗(yàn)采用美國Omega公司K型熱電偶絲點(diǎn)焊于微生物質(zhì)燃燒機(jī)的前后端面和環(huán)型側(cè)面，用于測量微生物質(zhì)燃燒機(jī)的外壁面溫度，熱電偶絲的直徑為0.254 mm，其測量精度為±0.5 K．在微生物質(zhì)燃燒機(jī)的尾氣出口孔中心，距端部1 mm處布置了一根K型熱電偶來測量出口尾氣溫度，該熱電偶固定在二維坐標(biāo)機(jī)上進(jìn)行熱電偶的精確重復(fù)定位測量．實(shí)驗(yàn)測量的壁面溫度和尾氣溫度通過Agilent 34970A數(shù)據(jù)采集儀采集后存儲在計(jì)算機(jī)中．尾氣成分分析系統(tǒng)包括氣體采樣管、微型真空泵、干燥器、氣體采樣袋、
2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處相色譜儀組成．燃燒后的尾氣由微型真空泵抽出經(jīng)干燥器干燥后收集于氣體采樣袋中，采用GC-14C型島津氣相色譜儀對生物質(zhì)燃燒機(jī)的出口尾氣進(jìn)行成分分析．
根據(jù)氮平衡原則，確定微生物質(zhì)燃燒機(jī)的燃燒效率77。為實(shí)驗(yàn)測量了氫氣和空氣的體積流量，分別為VH、VAir進(jìn)而可求出氫氣、空氣的質(zhì)量流量和過量空氣系數(shù)，即/T/H、/T/Ai，、甜．熱損失是考察微生物質(zhì)燃燒機(jī)熱性能的一個重要指標(biāo)，整個微生物質(zhì)燃燒機(jī)的熱損失包括微燃燒器外壁面與外界環(huán)境之間的自然對流熱損失Qn。和輻射熱損失Qr兩部分．根據(jù)測量的外壁面溫度來計(jì)算自然對流散熱和輻射散熱，由于生物質(zhì)燃燒機(jī)壁面溫度分布不均勻，生物質(zhì)燃燒機(jī)各個表面的自然對流散熱量和輻射散熱量采用平均壁面溫度來求解，各自壁面的對流換熱系數(shù)為
對多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)進(jìn)行了氫氣流量分別為4.136xl0-4 g/s．5.791xl0-4 g/s、7.445 xl0-4g／s、8.273 xl0。4g／s下的微燃燒實(shí)驗(yàn)研究，完全燃燒時(shí)所對應(yīng)的燃燒熱功率為50W、70 W、90 W和100 W．對每一種氫氣流量，進(jìn)行了不同過量空氣系數(shù)下的燃燒實(shí)驗(yàn)測量，得到了燃燒效率、出口尾氣溫度、燃燒室壁面溫度和熱損失率隨過量空氣系數(shù)、燃燒熱功率的變化規(guī)律．
經(jīng)冷凝和干燥后的采樣尾氣主要成分為氫氣、氧氣和氮?dú)猓ㄟ^氣相色譜儀分析可得到各自的體積分?jǐn)?shù)，進(jìn)而求出各自的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w(H)、w(0)、w(N)．
3.1燃燒效率
燃?xì)馔钙降妮嗇S功率與燃燒室中氣體工質(zhì)的質(zhì)量流量和出口溫度成正比．為了提高微透平發(fā)電系統(tǒng)的輪軸功率和輪軸效率，對于一定質(zhì)量的燃料，微燃燒器應(yīng)該具有較高的燃燒效卒、出口尾氣溫度和較寬的燃燒運(yùn)行界限，但這三者又互為制約．在微小尺度下，燃料在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間和燃燒反應(yīng)時(shí)間處于同一量級，停留時(shí)間過短將會導(dǎo)致燃料來不及燃燒而降低燃燒效率．對于一定質(zhì)量的燃料，過量空氣系數(shù)過高，導(dǎo)致燃?xì)赓|(zhì)量流量過大，縮短了氣體在微燃燒室中的停留時(shí)間，從而降低了微生物質(zhì)燃燒機(jī)的燃燒效率和出口尾氣溫度，最終降低了透平輪軸功率和輪軸效2011年10月曹海亮等：多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)的擴(kuò)散燃燒率；過量空氣系數(shù)過小，雖然可保證較高的燃燒效率和出口尾氣溫度，但會相應(yīng)減小燃?xì)獾馁|(zhì)量流量，降低透平的輪軸功率，同時(shí)過高的尾氣溫度會降低透平葉片材料的強(qiáng)度，從而導(dǎo)致透平轉(zhuǎn)子的破壞．因此，必須找出微生物質(zhì)燃燒機(jī)合適的燃燒操作范圍．
圖3是微生物質(zhì)燃燒機(jī)的燃燒效率77。隨燃燒熱功率P和過量空氣系數(shù)甜的變化曲線，從圖中可以看出，當(dāng)過量空氣系數(shù)凹<1.0時(shí)，燃燒效率低于100%，說明氫氣沒有完全燃燒．當(dāng)過量空氣系數(shù)位于1.5<凹<4.0時(shí)，4種工況下的燃燒效率幾乎均為100%．對于燃燒功率為100 W、過量空氣系數(shù)甜為4.5時(shí)，微生物質(zhì)燃燒機(jī)的燃燒效率仍然可達(dá)到98%．說明微生物質(zhì)燃燒機(jī)具有較高的燃燒效率和較寬的完全燃燒界限．當(dāng)過量空氣系數(shù)大于4.5時(shí)，燃燒效率開始逐漸下降．因此，所設(shè)計(jì)的微生物質(zhì)燃燒機(jī)在較寬的燃燒范圍內(nèi)具有較高的燃燒效率，尤其是在較高的過量空氣系數(shù)下，氫氣和空氣在微生物質(zhì)燃燒機(jī)仍然能夠完全燃燒．

3.2出口尾氣溫度
對于微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)，燃燒室出口尾氣溫度是決定燃燒透平效率高低的主要因素，尾氣溫度越高，微透平效率越高，系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率也越高，因此獲得較高的燃燒室尾氣溫度是微生物質(zhì)燃燒機(jī)設(shè)計(jì)和運(yùn)行的主要目的．但另一方面，微燃燒室的出口尾氣溫度不能過高，其受到微透平材料的制約．對于轉(zhuǎn)速為幾萬甚至幾十萬轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)的微透平轉(zhuǎn)子，由離心力引起的拉應(yīng)力非常大．高溫下，金屬材料的許用應(yīng)力將顯著下降，這樣勢必降低微透平轉(zhuǎn)子工作的安全性．因此，微燃燒室出口尾氣溫度過高將會大大降低透平葉片材料的強(qiáng)度，不利于微透平的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)龎娜~片．綜合兩方面因素可知，微燃燒室的尾氣溫度應(yīng)在滿足葉片強(qiáng)度的前提下盡可能地提高，這樣才能在保證葉片強(qiáng)度的前提下，盡可能地提高微透平效率．筆者所設(shè)計(jì)的微燃燒透平系統(tǒng)的微透平轉(zhuǎn)子的外徑為14 mm，在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速為lxl05 r/min時(shí)，根據(jù)等厚度葉輪強(qiáng)度理論可求出微透平轉(zhuǎn)子的應(yīng)力為17.44 MPa，仍小于316不銹鋼在1000 K溫度下的許用應(yīng)力22 MPa，因此，微燃燒室出口尾氣溫度選為1000K比較理想．
圖4是不同燃燒熱功率P下微生物質(zhì)燃燒機(jī)出口尾氣溫度Tout陋過量空氣系數(shù)甜的變化關(guān)系．可以看出，隨著燃燒熱功率P的增大，微生物質(zhì)燃燒機(jī)的出口尾氣溫度隨之增大，當(dāng)過量空氣系數(shù)為1.2時(shí)，生物質(zhì)燃燒機(jī)出口氣體溫度達(dá)到，隨著過量空氣系數(shù)的繼續(xù)增大，出口尾氣溫度開始逐漸降低．當(dāng)燃燒熱功率為100 W、過量空氣系數(shù)為1.2時(shí)，微生物質(zhì)燃燒機(jī)的出口溫度可達(dá)到1372 K．早期設(shè)計(jì)的微生物質(zhì)燃燒機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究‘4]得到，回?zé)嵝臀⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)在分別進(jìn)氣條件下，當(dāng)燃燒熱功率為52.2 W時(shí)，出口尾氣溫度約為916 K；燃燒熱功率為64.7 W時(shí)，出口尾氣溫度為1 005 K．本實(shí)驗(yàn)中，燃燒熱功率為50W時(shí)，出口尾氣溫度已經(jīng)達(dá)到1093 K，燃燒熱功率為70 W時(shí)，出口尾氣溫度達(dá)到了1250 K．比較可知，采用回?zé)釆A層回?zé)峒夹g(shù)和多孔介質(zhì)板相向進(jìn)氣組織方式的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)的出口尾氣溫度較原回?zé)嵝臀⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)約提高200 K左右，因此，所設(shè)計(jì)的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)具有較高的熱性能，可顯著提高生物質(zhì)燃燒機(jī)的出口尾氣溫度，從而提高微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的輪軸效率．這主要是因?yàn)槎嗫捉橘|(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)采用了回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)過濾燃燒的燃燒方式，空氣經(jīng)回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)板時(shí)，吸收了微燃燒室向外的散熱，提高了自身的溫度和熱焓，同時(shí)臧少了微燃燒室的向外散熱，起到了保溫作用，有效減少了熱量損失，使得更多的熱量用來加熱燃?xì)猓虼?，相同燃燒功率下，多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)的出口尾氣溫度有明顯提高．
另外，從圖4中還可以看出，設(shè)計(jì)燃燒功率為100 W時(shí)微生物質(zhì)燃燒機(jī)的出口尾氣溫度在甜=4.0時(shí)達(dá)到1000 K左右，為的燃燒運(yùn)行工況．
3.3外壁面溫度
圖5是微生物質(zhì)燃燒機(jī)的燃?xì)獬隹趥?cè)外壁面溫度Tw隨半徑尺的分布、燃燒熱功率P和過量空氣系數(shù)甜的變化關(guān)系．從圖中可以看出，在同樣的燃燒熱功率時(shí)，隨著過量空氣系數(shù)從1.0增大到4.0，微生物質(zhì)燃燒機(jī)的外壁面溫度持續(xù)降低，當(dāng)燃燒熱功率為100 W、過量空氣系數(shù)為凹= 4.5時(shí)，外壁面的平均溫度較低，僅為460 K，較其出口尾氣溫度低500 K左右．因此可看出，當(dāng)燃燒熱功率較高時(shí)，在保證有較高的出口尾氣溫度條件下，可獲得較低的壁面溫度，這樣可盡可
減少微生物質(zhì)燃燒機(jī)的壁面熱損失．

另外，從圖中可以看到一個奇怪的現(xiàn)象：隨著過量空氣系數(shù)的增大，燃燒熱功率較高的外壁面溫度下降幅度越大，甜從1.0增大到2.5的過程中，燃燒功率為100 W、90 W的外壁面溫度逐漸靠近70 W時(shí)的外壁面溫度；當(dāng)甜達(dá)到3.0時(shí)，90 W、100 W時(shí)的外壁溫度甚至低于70 W的外壁面溫度；當(dāng)甜在3.5～4.5之間時(shí)，100 W時(shí)的外壁面溫度反而低于90 W的外壁面溫度，而且均低于70 W的外壁面溫度，且逐漸趨于50 W的外壁面溫度；當(dāng)過量空氣系數(shù)5.0<凹<6.0時(shí)，微燃嬈器的外壁面溫度的分布趨于正常．
對于所設(shè)計(jì)的微生物質(zhì)燃燒機(jī)，在一定過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)，燃燒熱功率高的外壁面溫度反而較低，這一現(xiàn)象對于設(shè)計(jì)微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)來說是令人欣喜的．在高過量空氣系數(shù)下，燃燒熱功率較高時(shí)，微燃燒器的外壁面溫度反而更低，其相應(yīng)的向外熱損失也越小，意味著有更多的燃燒熱能將轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾臒崮?，將會明顯提高微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的輪軸效率，因此所設(shè)計(jì)的微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐在高燃燒熱功率和高過量空氣系數(shù)時(shí)具有較好的熱性能．
3.4熱損失率
將微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐向外界環(huán)境的自然對流散熱Qn。和輻射散熱Qr的總和與燃燒熱功率P的比值定義為燃燒熱損失率，即是微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的熱損失率7710ss隨燃燒熱功率P和過量空氣系數(shù)甜的變化關(guān)系，從圖中可以看出，當(dāng)燃燒功率一定時(shí)，隨著過量空氣系數(shù)的增大，微燃燒器的外壁面溫度先開始增大，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的熱損失也逐漸增大．當(dāng)過量空氣系數(shù)超過1.2后，隨著過量空氣系數(shù)的增大，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的熱損失開始逐漸減?。?dāng)燃燒熱功率為50W、甜=1.2時(shí)，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的熱損失為38.26%，較早期回?zé)嵝臀⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)爐‘41在52.28 W時(shí)的熱損失率70%大犬降低，說明多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑷紵鞯臒釗p失明顯減少，意味著有更多的熱量轉(zhuǎn)化為燃?xì)獾臒崮埽?br /> 另外從圖中可以明顯看出，燃燒熱功率越高，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的熱損失反而越?。畬τ谠O(shè)計(jì)燃燒熱功率為100 W，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的熱損失率僅為34.8%，當(dāng)凹= 4.0時(shí)，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的熱損失率僅為7.91%．因此，所設(shè)計(jì)的微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐具有較低的熱損失率，特別是在高過量空氣系數(shù)下，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的熱損失率非常小，意味著將有更多的燃燒熱用于提高燃?xì)獾臒犰屎蜏囟?，因此，采用多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)爐將會顯著提高微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率．
3.5溫度場分析
多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)爐具有較高的燃燒效率和出口尾氣溫度，而且隨著燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)的增大，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的外壁面溫度和熱損失率反而越低，這種現(xiàn)象是與其特殊的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和氣流組織方式密切相關(guān)的．采用Fluent6.3商業(yè)軟件對多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)爐內(nèi)的微小尺度燃燒進(jìn)行了數(shù)值模擬，圖7是在燃燒熱功率P= 100W、過量空氣系數(shù)甜=3.0工況下微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐內(nèi)部的溫度場等值線圖和矢量圖．從圖中可以看出，由于微燃燒室的上下兩側(cè)添加了不同孔隙率的多孔俞質(zhì)板，空氣進(jìn)入0.5 mm寬的回?zé)釆A層中，分別繞上下兩層多孔介質(zhì)板相向向內(nèi)進(jìn)入微燃燒室．氫氣從0.4 mm寬的氫氣噴嘴狹縫噴出后，上下噴射的空氣進(jìn)行混合，形成了穩(wěn)定的燃燒高溫區(qū)．部分燃燒熱量經(jīng)多孔介質(zhì)板、回?zé)釆A層和生物質(zhì)燃燒機(jī)爐外壁向外散失，此方向與空氣相向向內(nèi)的流動方向剛好相反，這種特殊的氣流流動組織方式是導(dǎo)致微燃燒器在高燃燒熱功率和高過量空氣系數(shù)下的外壁面溫度和熱損失率反而更低的主要原因．從溫度場等值線圖可明顯看出，在微燃燒室內(nèi)部一側(cè)將近2.5 mm高的區(qū)域內(nèi)，燃?xì)鉁囟葟?800 K左右的高溫驟然下降到600 K左右，說明在此區(qū)域內(nèi)形成了較大的溫度梯度．空氣經(jīng)上下兩層多孔介質(zhì)平板后相向進(jìn)入微燃燒室，其流動方向剛好與微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的損失熱量傳遞方向相反，在較小的區(qū)域內(nèi)形成了一層空氣薄膜，產(chǎn)生了較大的溫度梯度，起到了隔熱保溫的作用，明顯降低了燃燒熱量的向外散失．而且燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)越高，空氣流量越大，溫度梯度越大，向外散失的熱量越少，所以在高過量空氣系數(shù)和高燃燒熱功率時(shí)，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的外壁面壁溫和熱損失率反而越低．
另外空氣經(jīng)回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)板時(shí)，會回收微物質(zhì)燃燒機(jī)爐的部分向外散熱，提高了自身的熱焓，實(shí)現(xiàn)了過量焓燃燒方式，明顯提高了燃燒反應(yīng)速率和燃燒效率，因此在較寬的燃燒操作范圍內(nèi)，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐具有較高的燃燒效率．隨著過量空氣系數(shù)的增大，空氣流量逐漸增大，空氣回收的熱量也相應(yīng)增多，導(dǎo)致微燃燒器的熱損失率逐漸降低．因此，由于微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐采用了回?zé)釆A層和多孔介質(zhì)板相向進(jìn)氣的氣流組織方式，明顯降低了微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的壁面溫度和熱損失，而且隨著燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)的增大，壁面溫度和熱損失反而越小，說明所設(shè)計(jì)的多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)爐具有燃燒效率高和熱損失率低的優(yōu)點(diǎn)．
4結(jié)論

設(shè)計(jì)了一種微型多孔介質(zhì)回?zé)嵘镔|(zhì)燃燒機(jī)爐，進(jìn)行了其擴(kuò)散燃燒特性實(shí)驗(yàn)研究，考察了燃燒熱功率和過量空氣系數(shù)對微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的燃燒效率、出口尾氣溫度、燃燒器外壁面溫度和熱損失的影響．
(1)所設(shè)計(jì)的微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐在較寬的過量空氣系數(shù)范圍內(nèi)具有較高的燃燒效率，而且具有較高的出口尾氣溫度，能夠滿足微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)的需要．燃燒熱功率P= 100 W、甜=4.0時(shí)，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的尾氣溫度達(dá)到1 000 K，是微燃燒透平發(fā)電系統(tǒng)較為理想的運(yùn)工況．
(2)微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐具有較低的外壁面溫度，而且在一定的燃燒界限內(nèi)，燃燒熱功率越高，過量空氣系數(shù)越大，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的外璧面溫度越低．對于燃燒熱功率P= 100 W、甜=4.0時(shí)，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的外壁面溫度僅為475 K左右．
(3)微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐是一種低熱損生物質(zhì)燃燒機(jī)爐，燃燒熱功率越高，過量空氣系數(shù)越大，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的熱損失率也越低，對于燃燒熱功率P =100 W、甜=4.0時(shí)，微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐的熱損失率僅為7.91%．

(4)對微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐內(nèi)部溫度場的分析表明，由于采用了回?zé)釆A層回?zé)峒夹g(shù)和多孔介質(zhì)板相向的進(jìn)氣組織方式，使得多孔介質(zhì)回?zé)嵛⑸镔|(zhì)燃燒機(jī)爐在高燃燒熱功率和高過量空氣系數(shù)下表現(xiàn)出良好的熱性能，所設(shè)計(jì)的微生物質(zhì)燃燒機(jī)爐是一種燃燒效率高、操作范圍寬、熱損失率低的微型生物質(zhì)燃燒機(jī)爐，是開發(fā)微透平發(fā)電系統(tǒng)理想的燃燒器．

生物質(zhì)燃燒機(jī)，http://www.jiegankeliji.com
生物質(zhì)氣化站，http://www.598jx.com