预热温度对微尺度燃烧影响的分析

预热温度对微尺度燃烧影响的分析
李玉兰;王谦
【摘要】针对微尺度燃烧的特点,在传热分析的基础上,建立了微型管内氢—空气预混合气的燃烧模型,针对不同的预热温度对0.2 mm微管内氢气空气预混燃烧的影
响进行了研究.结果表明:对于0.2 mm微管,较高的混合气入口温度使得燃烧效率提高,火焰中心更靠近燃烧室入口.但是,由于壁面热损失,火焰中心温度增加幅度不大,
燃烧室出口温度降低幅度较大.为了实现较高的微尺度燃烧室的能量转化,需要火焰
有较高的出口温度,这样,就需要较合适的入口温度,而不是越高越好.
【期刊名称】《农业装备技术》
【年(卷),期】2016(042)005
【总页数】3页(P59-61)
【关键词】微燃烧;预热温度;数值模拟
【作者】李玉兰;王谦
【作者单位】镇江高等职业技术学校;江苏大学能源与动力学院,江苏镇江212000;
江苏大学能源与动力学院,江苏镇江212000
【正文语种】中文
高温空气预热技术是一项有效的燃烧节能技术，国内外在宏观尺度也已经展开了大量的研究。

其中，很多发达国家在研究与开发高温空气燃烧技术方面已经开发出
70多项专利[1-4]。

尹洪超等[5]利用了数值模拟对不同空气温度下某烯烃厂芳烃加热炉的燃烧温度进行了模拟，验证了预热空气对燃烧的稳定性、温度均匀性的作用，
预热温度越高，燃烧越充分，火焰厚度越厚，温度分布更均匀。

李宇红等[6]运用
数值模拟方法研究了低氧浓度条件下甲烷高温空气燃烧的火焰特性，以及预热空气温度对燃烧的影响，验证了高温空气燃烧的最高燃烧温度降低，燃烧区扩展，场内温差亦大大降低。

燃烧区最高温度和平均温差与进口空气预热温度呈近似线性的变化关系。

袁德等[7]认为从燃烧动力学来看，高温可以使火焰稳定，火焰的稳定极
限是随温度的提高而加宽的，或者说温度的提高导致火焰稳定的下限降低，上限拓宽，使火焰在较大范围内获得稳定。

同时，在着火阶段参加燃烧的可燃物浓度高，也易着火和稳定燃烧。

另外空气温度越高，火焰的熄灭应变能力越强，火焰也越稳定，需要的氧浓度可以降低。

其次高温还可使燃烧速率提高，随着温度的提高燃烧速率几乎直线上升。

但对于微尺度燃烧而言，由于散热的影响相对较大，温度肯定没有宏观尺度燃烧那样高，因此燃烧稳定性也要差一些。

由于微燃烧室内燃烧特性测量的困难，数值模拟来研究微燃烧特性是一种节省成本的方法。

美国德拉瓦大学研究了二维的CFD模拟来分析微燃烧室内甲烷/丙烷空气预混燃烧稳定性[8-9]。

本文对微管内的氢氧燃烧过程进行了三维数值模拟研究，分析混合气入口温度对微尺度燃烧特性的影响，以求对微燃烧过程有进一步认识。

模拟对象为图1所示内径为0.2mm、壁厚为0.05mm、长度为1.6mm的微型圆柱管，壁面材料为耐高温的石英玻璃，其导热系数为1.38W/（m·K）。

由于燃烧
室的结构很规则，采用结构化网格划分。

用以上模型对微管内氢气空气预混燃烧进行数值模拟，本研究取管径为0.2 mm、壁面厚度为0.05mm的石英管，外壁面散热系数为100W/m2·K，以化学当量比
下氢气和空气预混合物，入口流速固定为1.5m/s，以入口温度分别为300、500、700 K通入微尺度燃烧室内进行模拟研究，分析混合气入口温度对微尺度燃烧特性的影响。

图2和图3分别是不同入口温度下燃烧室内温度和氢气质量分数沿燃烧室轴向分
布的剖面图。

由图2可知，随着混合气体入口温度的增加，管内火焰最高温度降低，火焰中心向燃烧室入口处靠近，火焰中心区域减小，出口处气体温度也降低。

由图3可知，随着混合气体入口温度的增加，化学反应区域向燃烧室入口处靠近，燃烧室出口处氢气质量分数在入口温度为500K时最低。

可见，在入口温度为
500K时最有利于实现氢气完全燃烧发生化学反应。

图4和图5为不同混合气入口温度下微尺度燃烧室的气体温度和氢气转化率沿无
量纲轴向距离的分布图。

由图4可知，随着气体混合物入口温度的增加，燃烧室
内火焰最高温度向入口处靠近，出口处气体温度降低。

由图5可知，随着入口温
度的增加，在靠近燃烧室入口处氢气转化率增加，也就是提高了燃烧效率，在出口处基本实现了完全转化。

这是因为随着入口温度增加，混合气体温度更接近着火点发生燃烧释放热量，但是由于燃烧室外壁面温度较低，散热量增大。

因此，较高的混合气入口温度使得燃烧效率提高，火焰中心更靠近燃烧室入口。

但是，由于壁面热损失，火焰中心温度增加幅度不大，燃烧室出口温度降低幅度较大。

为了实现较高的微尺度燃烧室的能量转化，需要火焰有较高的出口温度，这样，就需要较合适的入口温度，而不是越高越好。

【相关文献】
[1]Yoshikawa K.Gastification and PowerGeneration from Solid Fuelsusing High Temperature Air.高温空气燃烧新技术国际研讨会论文集[C].北京:1999，48-68.
[2]KobayashiH,KawaiK etal.Gastification and PowerGeneration System and Boiler Performance using High Temperature Air.高温空气燃烧新技术国际研讨会论文集[C].北京:1999，70-88.
[3]尹洪超，张微.空气预热温度对燃烧状况的影响[J].节能, 2007(9):4-5.
[4]李宇红，祁海鹰，苑皎，等.预热温度影响甲烷高温空气燃烧特性的数值分析[J].工程热物理学报，2001,3（22）:258-260.
[5]袁德，李明.高温空气无油点火技术研究与应用[A].中国科学2004年学术年会电力会场暨中国电机工程学会学术论文集[C].中国，海南:2004.
[6]Norton,D.G.,Vlachos,bustion characteristicsand flame stabilityat themicroscale:a CFD studyofpremixedmethane/air mixturesChemicalEngineering Science,58(2003):4871-4882.
[7]Norton,D.G.,Vlachos,D.G..2004.ACFD study forpropane/air microflame bust.Flame138,97–107.
[8]李玉兰.王谦.微管内氢气燃烧变参数研究[J].热科学与技术，2009，8（1）：85-89.。