空气雾化柴油在多孔介质内稳定燃烧的实验研究
Experimental Study on Stable Combustion of Air Atomized Diesel in Porous Media
责任编辑: 王一凡
收稿日期: 2023-06-19 修回日期: 2023-08-12 接受日期: 2023-08-17
基金资助: |
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Received: 2023-06-19 Revised: 2023-08-12 Accepted: 2023-08-17
作者简介 About authors
刘宏升(1978—),教授,博士生导师,从事多孔介质燃烧技术研究,电话(Tel.):0411-84706902;E-mail:
为探索多孔介质内液体燃料燃烧特性,设计并搭建了基于空气雾化型供油方式的多孔介质液体燃烧系统,采用电预热点火方式成功实现了柴油喷雾的长时间自维持稳定燃烧和火焰定位.实验研究了柴油喷雾在球堆积床型多孔介质内燃烧的火焰特性与温度场变化规律,讨论了空气流量、喷油量对温度分布的影响.实验结果表明:电预热系统具有良好的稳定性和可重复性,维持稳定燃烧所需的最低预热温度为719.2 ℃;在着火阶段和稳定燃烧阶段观察到了不同形态的火焰结构;燃烧器具有良好的温度响应性能;实现空气雾化柴油稳定燃烧的最佳当量比应在0.63~0.84之间.
关键词:
A porous media liquid combustion system based on air atomization fuel supply mode is developed to explore the combustion characteristics of liquid fuel in porous media. Long-term self-sustaining combustion and flame localization of diesel spray are successfully achieved by electric preheating ignition. The flame characteristics and temperature field of diesel spray combustion in spherical bed porous and medium are experimentally studied, and the effects of air flow and fuel injection on temperature distribution are discussed. The experimental results indicate that the electric preheating system has a good stability and repeatability, and the minimum preheating temperature required to maintain stable combustion is 719.2 ℃. Different flame forms are observed in the ignition stage and the stable combustion stage. The burner has a good temperature response performance, and the optimum equivalent ratio to achieve stable combustion of air atomized diesel oil should be between 0.63 and 0.84.
Keywords:
本文引用格式
刘宏升, 梁晓艳, 徐奕辰, 解茂昭.
LIU Hongsheng, LIANG Xiaoyan, XU Yichen, XIE Maozhao.
早期关于多孔介质内液体燃烧的实验研究主要侧重于燃烧器的可行性和排放特性.Kaplan等[7]搭建了燃用液态正庚烷的多孔惰性介质辐射燃烧器,证明了液态碳氢化合物燃料在多孔陶瓷燃烧器中的稳定燃烧是可能的.Takami等[8]开发了一种适用于高负荷输入的液体多孔陶瓷燃烧器,成功将煤油的贫燃极限当量比拓宽至0.1,同时连续预测NOx的排放情况.随后,学者们开始研究多孔介质内液体燃烧的火焰特性.Li等[9]开发了具有中心多孔入口的中尺度液体燃料膜燃烧器,探究了多孔介质材料类型对火焰结构及燃烧特性的影响.近年来,随着微纳技术的不断发展,液体在多孔介质内燃烧的研究范围已经从传统的大尺度缩小到了中尺度级别.Chen等[10]提出了一种自蒸发中尺度燃烧器,解决了液体燃料在有限停留时间和空间内无法完全蒸发和混合的问题,他们发现燃料出口附近的多孔介质温度与火焰稳定性密切相关.Li等[11]开发了一种中尺度双层真空管多孔介质燃烧器,发现在燃烧器中添加多孔介质能够有效消除火焰振荡现象.
本文采用空气雾化型供油方式,搭建了电预热式多孔介质液体燃烧实验系统,成功实现了空气雾化柴油在多孔介质内的长时间自维持稳定燃烧,并对燃烧火焰的位置进行了有效调控.分析了柴油喷雾的着火特性、火焰特性与温度分布规律,探讨了空气流量和喷油量对温度场的影响以及燃烧器的温度响应特性,旨在为多孔介质液体燃烧器的机理探索与实际应用提供数据与理论支持.
1 实验系统
1.1 实验装置
实验系统如图1所示,主要包括供气系统、供油系统、燃烧器本体、预热系统及测量系统5部分.供气系统由空气压缩机、减压阀、质量流量控制器组成,空气通过空气雾化喷嘴进入主燃烧室,其流量采用七星华创CS230型质量流量控制器测量,准确度为±1.0%S.P.(设定值精度,Set Point),响应时间小于2 s.
图1
图1
空气雾化型多孔介质液体燃烧实验系统示意图
1—空气压缩机, 2—减压阀, 3—截止阀, 4—D08-1F型流量显示仪, 5—质量流量控制器&流量计, 6—空气雾化喷嘴, 7—油箱, 8—电子天平, 9—恒流蠕动泵, 10—热电偶, 11—无纸记录仪, 12—相机, 13—电阻丝, 14—变压器, 15—不锈钢底座, 16—氧化铝小球, 17—泡沫陶瓷, 18—主燃烧室, 19—预蒸发室
Fig.1
Experimental system of air atomized porous media liquid combustion
供油系统由油箱、电子天平、恒流蠕动泵、空气雾化喷嘴以及油管组成.液体燃料(0#柴油)由恒流蠕动泵提供,在压力式空气雾化喷嘴中雾化后与空气混合进入预蒸发室.这种空气-燃油混合进入的喷嘴不仅简化了燃烧器结构,还能够改善雾化效果.恒流蠕动泵流量范围在0.007~380 mL/min之间,可通过调节驱动器的转速和软管类型,实现对喷油量的高精度控制.需要说明的是,蠕动泵泵头内的六滚轮装置会导致柴油间歇性喷射,其间歇时间与设定的喷油量和空气量有关,通常在3~8 s之间.本文大量实验表明,这种间歇性的喷油方式恰好为柴油喷雾提供了足够的预蒸发时间,使得新喷入的柴油能够充分蒸发,并且不会影响多孔介质内液体燃烧的持续进行.
图2给出了空气雾化喷嘴的结构示意图,该喷嘴主要由喷嘴主体、喷雾装置、密封装置和调节装置组成.其中,喷雾装置由空气帽和液体帽组成,液体帽的孔径会直接影响喷射流量及喷雾液滴直径,实验中选用0.5 mm孔径的液体帽,该孔径下的喷雾液滴平均直径可达到50 μm以下,空气帽可以拆卸更换使用.
图2
图3
图4给出了质量测量法验证蠕动泵转速n控制流量Qv的结果,各离散点表示对12组燃烧工况喷油量分别进行4次测量并取平均值的结果.可以看出各工况喷油量平均值与Qv-n关系曲线大致吻合.尽管受到空气流量和油箱液位高度等因素的影响,在低喷油量时存在一些偏差,但这对实验中宏观物理量的影响非常小.因此可以得出结论,对于选定的软管型号,通过转速控制喷油量的方法是相对准确且稳定的.
图4
图4
质量测量法验证喷油量
Fig.4
Quality measurement method for verifying fuel injection quantity
图5
为了提供稳定可控的预热温度场,在填充床内嵌入螺旋直径为25 mm、高度为50 mm的螺旋形电热丝,电预热丝由Cr21AL6Nb材料制成,最高耐热温度为 1 350 ℃.实验中加热温度由变压器控制,将变压器功率控制在150~270 W时,预热区核心温度能达到680~800 ℃.
在主燃烧室的中心和壁面分别布置11个直径为1 mm的K型铠装热电偶测量温度,并配备MV2000型无纸数据记录仪记录数据.热电偶测点的详细位置如图5所示,以燃烧器入口泡沫陶瓷上表面为参考平面,令y=0,在轴向中心线上布置1~9号热电偶(TC1~TC9),间距10 mm,用于测量燃烧器的整体温度分布;在轴向位置y=30 mm的圆面上,沿圆周方向间隔90° 处布置10和11号热电偶(TC10和TC11),用于测量燃烧器内壁面处流体的温度.实验中采用佳能单反相机以29.97帧/s的频率拍摄燃烧过程中的动态火焰影像,图像分辨率为 1 920 像素×1 080 像素.实验结束后按帧选取火焰图片,每一帧时长约为 0.03 s.
1.2 实验步骤
实验首先对主燃烧室进行预热,接通变压器的电源和温度记录仪,并将变压器的电压设置为10 V.预热大约10 min后,预热区中心(TC4)温度可达到720 ℃ 左右,该温度足以使柴油喷雾完全蒸发并发生着火燃烧.
当预热区中心温度稳定在预设值时,开启蠕动泵并接通空气.由于此时预热温度高于柴油蒸气的着火温度,故可以在无点火装置的条件下,实现柴油喷雾在多孔介质内的自维持燃烧.同时,开启相机记录火焰变化情况.实验中发现,在初始着火阶段,空气流量应尽量维持在较低值(5 L/min),此时喷入预蒸发室的燃料液滴能够立即蒸发,并在预热区附近形成不规则火焰.而当预蒸发室内形成稳定的周期性入口火焰时,将空气流量调整到待测实验工况并关闭电预热系统,进行燃烧实验.
经过多次重复实验发现,燃烧器从着火成功到进入稳定燃烧阶段只需要180 s左右,且稳定燃烧阶段的火焰现象与温度分布都保持相对稳定状态,因此将柴油喷雾的燃烧过程视为液体喷雾在球堆积床内的稳定燃烧.
1.3 实验工况
表1给出了本文设定的12种燃烧工况,用以对比分析空气流量Qa、喷油量Qf和当量比Φ对燃烧器内柴油喷雾燃烧过程的影响.可以看出对于给定的喷油量,随空气流量增大当量比降低,在临界当量比附近出现熄火现象,本文实验工况下的临界当量比在0.55附近.
表1 实验工况对比
Tab.1
工况 | Qa/ (L·min-1) | Qf/ (mL·min-1) | Ф | 燃烧情况 |
---|---|---|---|---|
着火工况 | 5 | 0.9 | 1.67 | 着火 |
1 | 7 | 0.55 | 0.72 | 燃烧 |
2 | 8 | 0.55 | 0.63 | 燃烧 |
3 | 9 | 0.55 | 0.57 | 熄灭 |
4 | 8 | 0.665 | 0.77 | 燃烧 |
5 | 6 | 0.665 | 1.03 | 燃烧 |
6 | 9 | 0.665 | 0.68 | 燃烧 |
7 | 11 | 1 | 0.84 | 燃烧 |
8 | 11 | 0.8 | 0.67 | 燃烧 |
9 | 11 | 0.65 | 0.55 | 熄灭 |
10 | 8 | 0.71 | 0.82 | 燃烧 |
11 | 11 | 0.92 | 0.77 | 燃烧 |
12 | 12 | 0.89 | 0.69 | 燃烧 |
2 结果与讨论
2.1 预热温度分布
图6给出了燃烧器在预热过程中轴向温度T的分布情况.图中:x为燃烧器轴向距离,以预蒸发室泡沫陶瓷上缘中心为起点.总体来看,预热区温度呈现中间高、两侧低的抛物线型分布规律.从时间上来看,在预热过程的0~120 s内,堆积床升温速率较快,这是因为在加热初期,堆积床与电热丝之间的温差较大,使得氧化铝小球和周围空气在单位时间内吸收更多热量,从而导致温度迅速升高.而当预热进行到320 s后,堆积床与电热丝温差逐渐缩小,堆积床内的升温速率逐渐减小;从空间上来看,堆积床的中间部位除了受到电热丝的加热,还受到上、下游氧化铝小球的辐射和周围高温空气的对流作用,因此该区域的温度明显高于两侧区域.尽管预热区温度分布呈抛物线型,但是两侧温度并不完全对称,下游温度整体高于上游温度.例如,当预热结束时,燃烧器内轴向位置60 mm处的温度要比0 mm处温度高出约100 ℃.
图6
为了解预热温度场的稳定性和不确定性,本文采用相对标准偏差eRSD评估实验中多次测量温度数据的集中程度.通常情况下,相对标准偏差越小,数据的相对离散程度越小,表示数据更加集中,说明实验结果的可靠性和稳定性越高.相对标准偏差eRSD的计算公式如下:
式中: xi表示i点处的测量数据;
图7给出了在相同加热功率和加热时间下,预热电压为9.24 V时,温度T随时间t的变化情况及其对应的相对标准偏差eRSD.图中:1、2表示测量次数;10、20、30表示轴向位置10、20和30 mm处.从图中可以看出,不同的测量次数下,温度会有小幅度波动,但总体上能保持相对稳定的数值.轴向距离10、20和30 mm处温度的最大相对标准偏差出现在第140 s,分别为5.89%、6.05%和6.09%.随着时间推移,预热温度的相对标准偏差逐渐减小,说明不同测量次数下数据的离散程度越来越小,预热温度的可靠性和稳定性越高.当预热进行到 1 260 s 时,轴向位置10、20和30 mm处温度的相对标准偏差分别降低至0.88%、1.39%和1.93%.总体上,预热温度分布具有良好的重复性,为后续燃烧提供了稳定可控的预热温度.
图7
2.2 着火特性
为了确定适用于本文空气雾化型多孔介质液体燃烧器的临界着火温度,针对最高预热温度分别为723.2、721.7、719.2和706.3 ℃的4种预热情况进行了燃烧实验.
图8
图8
着火阶段预热区的轴向温度变化
Fig.8
Axial temperature variation in preheating zone during ignition stage
表2 工况1~4对应的预热区轴向温度
Tab.2
热电偶测点 | 工况1 | 工况2 | 工况3 | 工况4 |
---|---|---|---|---|
TC1 | 495.5 | 536.4 | 516.9 | 513.8 |
TC2 | 598.5 | 619.1 | 591.9 | 597.8 |
TC3 | 710.8 | 722.0 | 697.1 | 695.8 |
TC4 | 721.7 | 734.2 | 719.2 | 706.3 |
TC5 | 719.7 | 734.8 | 730.6 | 704.4 |
综合表2及上述着火特性分析,可以得出结论:本文设计的空气雾化型多孔介质液体燃烧器中,预热区的最高温度高于719.2 ℃时,柴油喷雾能成功着火并维持稳定燃烧.
2.3 火焰特性
2.3.1 着火阶段的快速火焰特性
实验观察发现,着火阶段堆积床内出现了3种宏观火焰,如图9所示,它们在堆积床内传播迅速且存在时间很短.根据火焰的轮廓,本文将它们分别定义为出口锥形火焰、瞬态过滤火焰和瞬态小火焰.由图9(a)可以看出,锥形自由火焰最先出现,一个生命周期仅150 ms左右.该火焰从堆积床内推出到自由空间,形成不规则的蓝色火焰锥,随后在出口泡沫陶瓷表面发展、燃烧.随着时间的推移,其火焰宽度和火焰厚度逐渐减小,而火焰高度则先增加后减小,直至消失,其最大高度可达15.9 cm.图9(b)给出了瞬态过滤火焰的变化情况.在着火初期,柴油喷雾吸收热量后蒸发,产生的高浓度柴油蒸气并未被立刻点燃,而是随空气的流动向下游传播,最终在下游形成向上游传播的瞬态过滤火焰,该火焰通常呈不规则的柱状或锥状(见图9(b)中红框),由于堆积床内小球的分割作用,该火焰并不连续,呈现出一种“过滤状”的效果.瞬态过滤火焰从产生到消亡的过程非常短暂(约90 ms),通常只在着火阶段的前10 s内周期性出现;除了上述两种火焰,着火阶段还会间歇性出现瞬态小火焰,如图9(c)所示.该种火焰通常在预蒸发室出口附近形成,然后迅速扩张并向下游传播,主要集中在y=0~30 mm区域内.瞬态小火焰是在柴油喷雾不连续喷射和空气流动涡旋的共同影响下交替形成的,因此其形状不规则(见图9(a)、9(c)中黄框),出现时间也具有随机性.需要说明的是,这种间歇性的小火焰现象贯穿整个燃烧过程,它们的间歇存在能够确保附近固体持续对新进入的柴油喷雾和空气进行加热,这有助于柴油喷雾充分蒸发和燃烧.
图9
图9
着火阶段的宏观火焰(Qa=5 L/min,Qf=0.9 mL/min)
Fig.9
Macroscopic flames during ignition stage (Qa=5 L/min and Qf=0.9 mL/min)
2.3.2 燃烧阶段的稳定火焰特性
图10
图10
一个周期内火焰的演变过程(Qa=11 L/min,Qf =0.8 mL/min)
Fig.10
Evolution process of flames within a cycle (Qa=11 L/min and Qf=0.8 mL/min)
图10给出了空气流量为Qa=11 L/min,喷油量为Qf=0.8 mL/min时,多种火焰在堆积床内的演变过程.可以看出在稳定的持续燃烧阶段,最明显的特征是准稳定火焰在轴向位置70 mm处保持驻定.一个周期内的火焰演变过程可划分为3个阶段.首先,瞬态火焰(红色框)短暂出现,持续时间约为 30 ms.接着,入口火焰(黄色框)出现,随着高温堆积床内柴油液滴不断蒸发,产生的蒸气混合气浓度逐渐增加,入口火焰开始扩张并呈现明亮的黄色;随后的60~180 ms内,蒸气混合气被消耗,质量不断减少,入口火焰开始减弱,火焰高度减小且颜色变为蓝色.最终,入口火焰完全消失.
2.4 温度分布
图11
需要说明的是,在图11(b)中观察到TC1曲线在300~340 ℃之间呈现不规律的波动,这是燃烧过程中入口火焰和瞬态小火焰周期性出现导致的.特别是较大的空气流量下,该处释放的燃烧热与加热冷空气所需要的热量不匹配,从而引起温度波动.
当空气流量进一步增加到9 L/min后,对应的当量比降低至0.57.从图9(c)可以看出,TC曲线不再稳定,开始大幅度下降,底部入口火焰及瞬态小火焰逐渐缩小,最后熄灭,燃烧终止.这表明,当柴油喷雾实现完全燃烧以后,再进一步增大空气流量,会导致燃烧不稳定,甚至熄火.在本文实验装置下,柴油喷雾能够实现相对可持续稳定燃烧所对应的当量比不能低于0.63.
图12给出了喷油量为0.665 mL/min,空气流量连续变化时的核心反应区的温度变化情况(工况4~6).从图中可以看出,当空气流量由8 L/min降低到6 L/min时,相应的当量比Φ从0.77升高为1.03,此时由于不充分燃烧,TC3温度由 1 110.9 ℃ 降低至 1 046.2 ℃,且燃烧器出口有黑烟排出.随后,空气流量升高至9 L/min,相应的当量比降低至0.68,TC3和TC4的温度在170 s内分别升高了107.8 ℃和89.7 ℃.因此,适当调整空气流量可以改变燃料当量比,进而影响燃烧的完全程度和温度分布.
图12
图12
空气流量连续变化时核心燃烧区的温度变化
Fig.12
Temperature in core combustion zone with continuous variation of air flow rate
此外,在空气流量改变后,核心反应区域的温度能够在10 s内快速适应新的燃烧工况.这表明本实验的多孔介质液体燃烧器的温度响应速度较快,有利于实现对燃烧过程的有效控制.
图13
图13
喷油量对温度分布的影响
Fig.13
Influence of fuel injection quantity on temperature distribution
在喷油量为1 mL/min的情况下,燃烧器内轴向温度曲线相对稳定.图13(a)中TC3曲线在800 s内的温度波动仅为10.5 ℃,这意味着在该燃烧工况下,燃烧是稳定的.然而,在图13(b)中,当喷油量降低至0.81 mL/min后,TC1和TC2曲线开始下降,靠近入口的TC1曲线温度从520.6 ℃降低至 393.1 ℃,而下游处的TC4、TC5和TC6曲线温度则缓慢上升.这是因为一方面,喷油量减少使得主燃烧室内的可燃混合气体浓度下降,尤其在入口处受到冷空气影响更加显著,导致上游温度大幅度下降;另一方面,喷油量减少导致燃料量减少,而单位时间内混合气中的氧气含量并没有减少,从而使得氧化反应更加充分,下游燃烧温度有所上升.
当喷油量进一步降低至0.65 mL/min时,主燃烧室内的温度开始波动并下降,最终在280 s时熄火.这是由于喷油量过低,使得燃油与空气的混合比不足,混合气体无法达到可燃状态,从而导致燃烧无法持续进行.因此,当空气流量一定时,为了实现柴油喷雾的稳定燃烧,需要选择一个接近化学计量比的最佳喷油量.对于空气流量为11 L/min的情况,0.8 mL/min的喷油量是较为合适的选择,其当量比为0.67.
图14
图14
主燃烧室中心与壁面温度对比
Fig.14
Comparison of combustion chamber center and wall temperatures
3 结语
本文通过搭建基于空气雾化型供油方式的多孔介质燃烧实验系统,研究了液体喷雾在多孔介质内稳定燃烧的火焰特性与温度特性,分析了空气流量、喷油量等参数对多孔介质内柴油喷雾稳定燃烧特性的影响,得出以下结论:预热区温度呈中间高、两侧低的抛物线型分布趋势,最高预热温度高于719.2 ℃时,柴油喷雾能成功着火并稳定燃烧;柴油喷雾的燃烧过程中出现了准稳定火焰、瞬态小火焰和入口火焰3种形态,其中准稳定火焰在堆积床内保持驻定,而瞬态小火焰和入口火焰则周期性出现,保证了燃烧的稳定性和持续性;燃烧器的温度响应速度较快,可实现对燃烧过程的有效控制;在喷油量一定,增大空气流量时,堆积床下游处温度显著升高,而上游处温度出现波动并下降;在空气流量一定,降低喷油量时,堆积床上游温度显著降低,而下游温度略微升高.
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