DG關(guān)于擴(kuò)散式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)燒嘴磚形狀的探討

擴(kuò)散式生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)屬火道式無(wú)焰燃燒器其火道（燒嘴磚）是生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)的重要組成部分,其型式直接影響火焰形狀和燃燒狀況。在設(shè)計(jì)生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)時(shí)應(yīng)給予足夠的重視。旋轉(zhuǎn)氣流的狀態(tài)

氣流旋轉(zhuǎn)能量是形成平面展開氣流的動(dòng)力。為了決定燒咀磚的型式,必須弄清燒咀磚形狀與旋轉(zhuǎn)氣流的聯(lián)系,分析旋轉(zhuǎn)氣流射流的狀態(tài)參數(shù)及其分布規(guī)律。
由流體力學(xué)知道實(shí)際旋渦是由強(qiáng)制渦和自由渦組合而成。擴(kuò)散式生物質(zhì)燃燒機(jī)內(nèi)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)流體,可以是多股旋轉(zhuǎn)流體,也可以是由一種主流體帶動(dòng)的流體。我們把這種旋轉(zhuǎn)流體看成為厚度很小的繞生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)通道軸線旋轉(zhuǎn)的圓形旋渦（因?yàn)樵撔郎u是在外力和粘性力的強(qiáng)制作用下產(chǎn)生,故稱之為強(qiáng)制旋渦。）當(dāng)旋渦射入大氣時(shí),則在渦核外部形成自由旋渦。
為了分析簡(jiǎn)便,我們把此氣流看成定型氣體流動(dòng),流體是理想的,即無(wú)粘性；但又是可壓縮的,任意點(diǎn)上的三個(gè)分速度V。
下面我們來(lái)分析二元旋渦內(nèi),外壓力分布和速度分布情況。參見圖1。
在定型氣體運(yùn)動(dòng)情況下,旋涓內(nèi)部壓力分布可用歐拉方程表示：
通過(guò)采用音速噴咀對(duì)目前城市煤氣計(jì)量中使用廣泛的膜式煤氣表和羅茨流量計(jì)的標(biāo)定,結(jié)果表明：以音速噴咀作為煤氣流量計(jì)的傳遞標(biāo)準(zhǔn)器是切實(shí)可行的。它具有度高,復(fù)現(xiàn)性好,性能穩(wěn)定,尺寸緊湊,校標(biāo)方便等優(yōu)點(diǎn),特別是對(duì)大流量氣體流量計(jì)的標(biāo)定問(wèn)題,如采用音速噴咀來(lái)解決,將是有效的途徑之一。
所以,旋渦在邊界上的壓力降等于旋渦邊界上的速度頭,而旋渦中心的壓力又比邊界壓力降低了一個(gè)速度頭。旋渦內(nèi)部（垂直于旋渦軸線的任一截面上）的壓力呈拋物線規(guī)律分布,見圖2。
當(dāng)旋轉(zhuǎn)的角速度0）-定時(shí),切向速度V與旋轉(zhuǎn)半徑r成正比。旋渦內(nèi)部徑向切線速度呈線性分布,如圖3所示。
有些資料介紹,旋渦強(qiáng)度Q≤0.6時(shí),【刀向進(jìn)風(fēng)的旋流產(chǎn)生的切向速度的徑向分布曲線與旋流強(qiáng)度的所有數(shù)值,從距離噴管出口兩倍直徑處即呈相似性,勢(shì)核對(duì)V（切向速度）剖面的影響比對(duì)u（軸向速度）剖面的影響來(lái)得小,從而使相似性在更靠近噴口的位暨實(shí)現(xiàn)。切向速度剖面內(nèi)部一段幾乎是呈線性的,相當(dāng)于固體式旋轉(zhuǎn),而外部是自由渦型運(yùn)動(dòng)。
對(duì)弱旋流擴(kuò)散火焰,軸向速度比V/Vm在徑向分布與r／(x a)比值具有相似性,可用高斯方程表示。
2．旋渦外部的速度分布和壓力分布
(1)旋渦外部的速度分布
關(guān)于旋渦外部（自由渦）速度分布的律,仍以理想氣體進(jìn)行推導(dǎo)。設(shè)旋渦外ds環(huán)面上,其環(huán)量為：
若號(hào)≥及弓}的單位為孤度／秒,則Z軸上的角速度為：理想氣體在循環(huán)流動(dòng)中的速度與其至旋心的距離成反比,與剛體運(yùn)動(dòng)的情況相反,
(2)旋渦外部流體的壓力分布
旋渦外部流體以自由渦的型式流動(dòng)。旋渦外任一點(diǎn)．上的壓力可以用拉格朗日——柏努利方程來(lái)決定：
從上式可以看出隨著接近旋渦,速度V按雙曲線規(guī)律增長(zhǎng),而壓力則降低（壓力徑向分布按雙曲線規(guī)律）。小壓力在渦核邊界上,此處速度等于V。。渦核邊界上的壓力可用下式確定：
即渦核邊界處壓力降低。這種現(xiàn)象的存在,在自然界中造成旋渦吮吸周圍物質(zhì)的性質(zhì)。它將形成新的渦旋。對(duì)氣流的徑向擴(kuò)展
綜上所述,我們可以把旋渦內(nèi)外的壓力,速度分布繪成圖6。
人們用水進(jìn)行強(qiáng)制渦和自由渦的試驗(yàn),可以看到旋渦流體表面曲線與旋渦壓力分布曲線一致,這對(duì)我們分析生物質(zhì)燃燒機(jī)燒咀磚曲面形狀很有幫助。
燒嘴磚選型
上面對(duì)旋渦內(nèi),外壓力分布,速度分布狀態(tài)的分析,為我們討論燒咀磚形狀提供了理論根據(jù)。燒咀磚的作用之一就是使旋轉(zhuǎn)射流較容易地呈現(xiàn)一定的流型。具體到平焰燃燒來(lái)說(shuō),就是要使旋轉(zhuǎn)射流形成平面氣流（此氣流若是燃?xì)夂涂諝饣旌衔?經(jīng)點(diǎn)火即形成平面火焰）。因此要求燒咀磚內(nèi)部形狀好與旋轉(zhuǎn)氣流流型一致,避免形成外部旋渦,減小阻力損失,以利于氣流的附壁和平面擴(kuò)展。下面我們就根據(jù)旋轉(zhuǎn)流體旋渦的特性對(duì)燒咀磚形狀進(jìn)行討論：
1．根據(jù)強(qiáng)制旋渦壓力分布曲線選型
從生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)環(huán)形通道流出的旋渦屬于圓形強(qiáng)制旋渦,其徑向壓力分布為拋物線型。如要保持這個(gè)旋渦流出通道后仍按拋物線型前進(jìn),就必須做一個(gè)與此旋渦流面相適應(yīng)的拋物線型燒咀磚。這樣才能避免在渦核邊界上形成誘導(dǎo)速度和旋渦,并使旋轉(zhuǎn)射流前進(jìn)較大距離。但由于旋轉(zhuǎn)射流半徑較小,故燒咀磚必須做得很長(zhǎng),很大。實(shí)際應(yīng)用中,不可能將燒咀磚做得太長(zhǎng),而是比較短。因此,旋轉(zhuǎn)氣流流出燒嘴磚之后,仍有～定的軸向速度,而徑向速度較小,不能形成充分平展的氣流。這種火焰（氣流）對(duì)流作用強(qiáng),而輻射作用較差。所謂碗形燒嘴磚所形成的氣流就是這種情形。碗形曲線相似于拋物線,
當(dāng)然把燒嘴磚做成與加熱空間和旋渦大小一致那是理想的。
2．按自由旋渦壓力分布選型
為了使旋轉(zhuǎn)射流在徑向有更大的擴(kuò)展直徑,形成平展氣流,增強(qiáng)火焰的輻射面積,我們利用射流的附壁效應(yīng)和自由旋渦壓力分布特性,設(shè)計(jì)出雙曲線形燒嘴磚。其設(shè)計(jì)思想就是把從平焰燃燒通道流出的旋渦看做實(shí)際旋渦。它一邊沿雙曲線型的燒嘴磚軸向前進(jìn),一邊向徑向擴(kuò)展。這個(gè)雙曲線不是渦核吸入周圍氣體形成的自由渦壓力分布曲線,而是燒嘴磚的曲面,因此旋渦外部不會(huì)形成誘導(dǎo)旋渦,從而減小了摩擦阻力損失。在離心力和附壁效應(yīng)作用下,氣流將以更大的徑向速度擴(kuò)展,形成平展氣流,加大了氣流平面。
但是,在實(shí)際使用中,我們感到雙曲線型燒嘴磚加工比較復(fù)雜,往往把它簡(jiǎn)化成直線張角或圓弧曲線張角。
(1)簡(jiǎn)化成直線張角
因?yàn)殡p曲線及其漸近線的方程為：因此,我們可以得到較大的張角,這種張角正是我們可用的一種燒嘴磚型式。通常稱之為大張角型。
對(duì)于紊流自由前流,流體擴(kuò)張角可以用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出來(lái)。紊流自由射流張角見。
實(shí)驗(yàn)證明,燒咀磚擴(kuò)張角2a<30。時(shí),氣流擴(kuò)散角0隨旋流強(qiáng)度Q變大而增強(qiáng),燒咀磚擴(kuò)張角2a對(duì)氣流擴(kuò)散角0影響不大,即導(dǎo)流不好。
當(dāng)30。≤2a≤70。時(shí),火道導(dǎo)流作用顯著,2a角對(duì)e角影響很大。而旋流強(qiáng)度Q對(duì)e角影響卻很小。
當(dāng)2a> 70。時(shí),如果Q較小,燒嘴磚失去導(dǎo)流作用。O突然減小,氣流與火道之間產(chǎn)生了“脫體”現(xiàn)象,如果Q較大,氣流與燒咀磚,爐墻之間的負(fù)壓將大于氣流軸心的負(fù)壓,氣流向四周張開,0突然擴(kuò)大,氣流附壁運(yùn)動(dòng),形成平展氣流。隨著Q加大,平展氣流穩(wěn)定性增強(qiáng),見圖12。所以只需要有足夠大的旋流強(qiáng)度和合適的燒嘴磚擴(kuò)張角,就可獲得平展氣流。一般燒嘴磚擴(kuò)張角選70～80。。
“采用擴(kuò)張型燒咀磚作為延伸段具有使軸向和切向速度峰值之間徑向隔開距離加大,并使反向質(zhì)量流量加大的綜合影響。”
燒嘴磚推薦長(zhǎng)度L = c1～2)d,其中d是噴管喉部直徑。
火道擴(kuò)張角與氣流擴(kuò)張角的關(guān)系0大于100。很容易向徑向展開,形成平展氣流。因此我們?cè)O(shè)想,使燒嘴磚擴(kuò)張角大于100。也能很容易形成平展氣流。而使氣流擴(kuò)散角大于100。是比較容易的,事實(shí)上人們?cè)谡{(diào)焰生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)中已使用張角為120。的火道,并獲得良好的平面展開氣流。當(dāng)然此時(shí)圓通道與燒嘴磚擴(kuò)張角的結(jié)構(gòu)關(guān)系以及擴(kuò)張角的高層度都與前面有所不同。
(2)圓弧形曲線——喇叭口型曲線
為了使曲線簡(jiǎn)單便于加工,同時(shí)又接近于雙曲線,我們可以用圓弧曲線代替雙曲線,圓弧曲線和旋轉(zhuǎn)氣流通道出口外沿相切。因略去了雙曲線的下半部分。故稱為喇叭口曲線。
關(guān)于喇叭口型燒嘴磚,資料介紹曲率半徑R= 0.8～2.OD范圍內(nèi)的都能形成平焰。用中壓空氣做旋轉(zhuǎn)流體來(lái)帶動(dòng)直噴口噴出的低壓焦?fàn)t煤氣的生物質(zhì)燃燒機(jī),對(duì)喇叭口曲率半徑R= 0.7～3.5D的14個(gè)燒咀磚進(jìn)行試驗(yàn),結(jié)果表明都能形成平面火焰。但當(dāng)R=o.7．D時(shí)較困難,它需要足夠大的旋流強(qiáng)度和火道高層度。R=l．0～2.OD容易形成平焰,而R= i*i～i,sD時(shí)氣流附壁性好,火焰直徑很大。R>2.OD時(shí)火焰直徑減小向燒咀磚內(nèi)移動(dòng),R=O即張角為1809時(shí)不能形成平面火焰。
喇叭口型燒咀磚曲率半徑選擇遵循下列原則：使用高熱值煤氣時(shí),裝在側(cè)墻上的燃燒器R取較大值,使R= 1.5～2．OD；而裝在爐頂上的生物質(zhì)顆粒燃燒機(jī)R取較小值,使R=1.2～i.sD。負(fù)荷大時(shí)或旋流強(qiáng)度大時(shí)取下限,負(fù)荷小或旋流強(qiáng)度小時(shí)取上限；低熱值煤氣取上限,高熱值煤氣取下限；煤氣壓力大時(shí)取上限,煤氣壓力小時(shí)取下限；但燒咀磚曲率半徑加大,其體積也加大,必須選擇適當(dāng)。
一般旋轉(zhuǎn)氣體為空氣,直噴氣流為可燃?xì)怏w。因此兩種氣體必須在一定的軸線速度下才能很好地混合。資料介紹,采用直噴口時(shí)煤氣出口速度一般取12～20米／秒,我們用焦?fàn)t煤氣試驗(yàn),其速度在2.7～13.1米／秒,均能形成平焰。但是在確定煤氣軸向出口速度時(shí)必須注意與空氣軸向速度的比例關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中得出V空/V煤氣=0.9～2.9范圍內(nèi)好。低于0.76時(shí)火焰開始內(nèi)卷,高于3時(shí)火焰變化很小。一般取煤氣出口速度低于空氣出口速度1～2米／秒為好。
(3)大張角與圓弧曲線的關(guān)系
直線和圓弧曲線型燒咀磚都是從雙曲線型簡(jiǎn)化來(lái)的,他們之間存在著一定的內(nèi)在聯(lián)系。下面我們作一些計(jì)算分析。
令燒咀磚高層度為H=iD,園弧與通道出口內(nèi)壁相切于E點(diǎn),以不同曲率半徑R= nD作圓弧曲線,將如現(xiàn)以下情況：
(i)n=1時(shí),弧線與燒咀磚出口平面K-K相切于B點(diǎn),BE直線與通道軸線或EF線成夾角0【,a= 45。。見圖10。
(ii) n>l時(shí),圓弧曲線與K-K面有兩個(gè)交點(diǎn)A,C,而且圓弧曲線低點(diǎn)為B,B點(diǎn)在K-K面上的投影是B”點(diǎn),直線B”E與EF構(gòu)成夾角cc,見圖11。
從以上的計(jì)算分析可阻看出：
(a)張角和圓弧形曲線均有使旋轉(zhuǎn)氣流擴(kuò)散角放大的作用,而且圓弧形曲線包含有多個(gè)不同的張角,故可使氣流逐漸放大。曲率半徑大的弧線可以使旋流強(qiáng)度低的氣流形成平展氣流。
(b)從圓弧曲線中可以推導(dǎo)出一個(gè)合適于導(dǎo)流的張角區(qū)域,它為30�！�130。之間。這是因?yàn)闊�咀磚擴(kuò)張段長(zhǎng)度一般為1～2D,若我們把長(zhǎng)度定為1D,則R=2D時(shí)的導(dǎo)流點(diǎn)在K-K上投影形成的夾角為126,8。,小夾角為30。。所以可以說(shuō),圓弧曲線與上兩張角的區(qū)域等效。當(dāng)R>2D時(shí),小夾角iD時(shí)導(dǎo)流較好。
(c)當(dāng)燒咀磚長(zhǎng)度減小時(shí),為了達(dá)到較好的導(dǎo)流效果,應(yīng)張角應(yīng)加大。實(shí)驗(yàn)中我們知道R= 0.7D形成平展氣流比較困難。當(dāng)H= 0.7D時(shí),大張角（仍按R=2.OD低點(diǎn)投影）為140.1。,而H=o．8D時(shí),大張角為136.4。,所以我們說(shuō)夾角不大于135。好。
通過(guò)分析我們可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：
(1)擴(kuò)散式生物質(zhì)燃燒機(jī)燒咀磚內(nèi)曲面可以按實(shí)際旋渦壓為分布規(guī)律所形成的曲面做。其簡(jiǎn)化形式有大張角型和喇叭口型的,還可以做成大張角與喇叭口混合型的�；旌闲蜔�咀克服了前兩種的缺點(diǎn),保持了其優(yōu)點(diǎn)。體積也小,但加工稍復(fù)雜些。
(2)大張角形燒咀磚張角介于30�！�135。之間,一般70�！�80。好。旋轉(zhuǎn)強(qiáng)度大,且火道適當(dāng)改變時(shí),也可取120。左右。小于30。導(dǎo)流不好。
(3)喇叭口型燒咀,曲率半徑R=0.7～3.5 D均可形成平面火焰,一般R=i.i～i．sD好。
(4)大張角和喇叭口型燒咀曲線型式不同,然原理相同,曲率半徑R與對(duì)應(yīng)張角的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)規(guī)律一致。

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