《泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法.pdf（12页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。
1、(10)申请公布号 CN 103615720 A (43)申请公布日 2014.03.05 CN 103615720 A (21)申请号 201310618390.4 (22)申请日 2013.11.27 F23D 14/02(2006.01) F23D 14/46(2006.01) F23N 5/00(2006.01) (71)申请人 广东电网公司电力科学研究院 地址 510080 广东省广州市越秀区东风东路 水均岗 8 号 (72)发明人 李德波 (74)专利代理机构 广州华进联合专利商标代理 有限公司 44224 代理人 王茹 曾旻辉 (54) 发明名称 泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛。
2、选方法 (57) 摘要 本发明提供一种泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当 量比的筛选方法， 包括 ： 生成泡沫陶瓷燃烧器的 物理模型 ； 采用扩散近似法建立泡沫陶瓷燃烧器 介质内部的辐射热通量， 采用双通量法建立泡沫 陶瓷燃烧器边界的辐射热通量， 得到所述泡沫陶 瓷燃烧器的固相能量方程 ； 采用控制容积能量平 衡法建立泡沫陶瓷燃烧器的预混燃烧控制模型 ； 对所述预混燃烧控制模型进行离散， 得到离散控 制模型 ； 根据所述离散控制模型和所述物理模 型， 对所述泡沫陶瓷燃烧器在各个候选燃烧气体 当量比下的预混燃烧进行数值模拟 ； 根据所述数 值模拟结果， 按照预设的筛选条件对所述各个候 选燃烧气体当量比进行。
3、筛选。本发明能精确获得 燃烧器内的燃烧特性， 能筛选出最好的燃烧气体 当量比。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 7 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书7页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103615720 A CN 103615720 A 1/2 页 2 1. 一种泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法， 其特征在于， 包括如下步骤 ： 生成泡沫陶瓷燃烧器的物理模型 ； 采用扩散近似法建立所述泡沫陶瓷燃烧器介质内部的辐射热通量， 采用双通量法建立 所述泡沫陶瓷燃烧器边界的辐射热通量， 得到所述泡沫陶瓷燃。
4、烧器的固相能量方程 ； 采用控制容积能量平衡法建立泡沫陶瓷燃烧器的预混燃烧控制模型， 其中， 所述预混 燃烧控制模型包含所述固相能量方程 ； 对所述预混燃烧控制模型进行离散， 得到离散控制模型 ； 根据所述离散控制模型和所述物理模型， 对所述泡沫陶瓷燃烧器在各个候选燃烧气体 当量比下的预混燃烧进行数值模拟 ； 根据所述数值模拟结果， 按照预设的筛选条件对所述各个候选燃烧气体当量比进行筛 选。 2. 根据权利要求 1 所述的泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法， 其特征 在于， 根据下式采用扩散近似法建立所述泡沫陶瓷燃烧器介质内部的辐射热密度 ： 其中， 所述qr(x)为所述泡沫陶瓷燃烧器介质。
5、内部的辐射热密度， n为介质的折射系数， T 为气体温度， 为波尔兹曼常数 ； ke为边界出口辐射厚度。 3. 根据权利要求 2 所述的泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法， 其特征在于， 根据下式采用双通量法建立所述泡沫陶瓷燃烧器边界的辐射热密度 ： 其中， qr(x) 为所述泡沫陶瓷燃烧器边界的辐射热密度， E3(x) 为任意位置处 x 的黑体 辐射强度， Ib(x*) 为任意位置 x 处的辐射强度， ka为吸收系数， Ie为出口位置的辐射强度， L 为计算区域的长度。 4. 根据权利要求 3 所述的泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法， 其特征在于， 所述泡沫陶瓷燃烧器的固相能量方程。
6、为 ： 其中， 为多孔介质孔隙率 ； s为多孔固体的导热系数 ； qr为辐射热密度 ； SV为单位 体积比表面积 ； h 为表面对流换热系数 ； Tg为气体的温度 ； Ts为多孔固体的温度。 5. 根据权利要求 4 所述的泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法， 其特征在于， 权 利 要 求 书 CN 103615720 A 2 2/2 页 3 所述预混燃烧控制模型包括 ： 连续性方程为 ： 其中， g为气体混合物的密度 ； u 为气体流速 ； 为多孔介质孔隙率 ； x 为轴向距离。 混合气动量方程为 ： p const 混合气的能量方程为 ： 其中， Tg为气体的温度 ； g为气体混合物的导。
7、热系数 ； cp为气体混合物的定压比热 ； cpk 为组分 k 的定压比热 ； g为气体混合物的密度 ； hk为组分 k 的比焓 ； k为组分 k 的质量生 成速率 ； h 为表面对流换热系数 ； SV为单位体积比表面积 ； Ts为多孔固体的温度。 固相能量方程为 ： 其中， s为多孔固体的导热系数 ； qr为辐射热流量 ； 组分守恒方程为 ： 其中， Yk为组分 k 的质量分数 ； Vk为组分 k 的扩散速度 ； k为组分 k 的质量生成速率 ； 理想气体状态方程为 ： 其中， p 为气体混合物的压力 ； R 为通用气体常数 ； W 为气体摩尔质量。 权 利 要 求 书 CN 1036157。
8、20 A 3 1/7 页 4 泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法 技术领域 0001 本发明涉及泡沫陶瓷燃烧器技术领域， 特别是涉及一种泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体 当量比的筛选方法。 背景技术 0002 多孔介质中的预混合燃烧是一个包含化学反应及导热、 对流和热辐射三种换热方 式互相耦合的复杂换热过程。从理论上研究多孔介质预混合燃烧， 建立燃烧的数学模型是 众多研究人员努力的方向。 大部分研究者都在实验研究的基础上， 通过适当简化， 建立了燃 烧数学模型， 再通过数值计算的方法， 得到和实验基本一致的结果， 验证了燃烧模型的有效 性。 0003 燃烧器的数值模拟可用于调整燃烧气体当量比， 使燃。
9、烧器获得最好的燃烧性能。 由于辐射换热的过程非常复杂， 传统技术中获得的燃烧模型中无法精确模拟， 而辐射换热 在多孔介质预混合燃烧中对火焰位置、 火焰温度、 燃烧速度等重要参数有很大的影响。 因此 大部分的处理方法无法准确获得燃烧器中的燃烧特性， 因此调整燃烧气体当量比无法达到 较好的效果。 发明内容 0004 基于此， 本发明提供一种泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法， 能精确获 得燃烧器内的燃烧特性， 能筛选出最好的燃烧气体当量比。 0005 一种泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法， 包括如下步骤 ： 0006 生成泡沫陶瓷燃烧器的物理模型 ； 0007 采用扩散近似法建立所述泡沫。
10、陶瓷燃烧器介质内部的辐射热通量， 采用双通量法 建立所述泡沫陶瓷燃烧器边界的辐射热通量， 得到所述泡沫陶瓷燃烧器的固相能量方程 ； 0008 采用控制容积能量平衡法建立泡沫陶瓷燃烧器的预混燃烧控制模型， 其中， 所述 预混燃烧控制模型包含所述固相能量方程 ； 0009 对所述预混燃烧控制模型进行离散， 得到离散控制模型 ； 0010 根据所述离散控制模型和所述物理模型， 对所述泡沫陶瓷燃烧器在各个候选燃烧 气体当量比下的预混燃烧进行数值模拟 ； 0011 根据所述数值模拟结果， 按照预设的筛选条件对所述各个候选燃烧气体当量比进 行筛选。 0012 上述泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法， 。
11、采用扩散近似法建立所述泡沫 陶瓷燃烧器介质内部的辐射热通量， 采用双通量法建立所述泡沫陶瓷燃烧器边界的辐射热 通量， 得到所述泡沫陶瓷燃烧器的固相能量方程 ； 本发明通过辐射热通量的处理， 显著提高 预混燃烧数值模拟结果的精确度， 根据该结果， 可以对预设的多个燃烧气体当量比进行筛 选， 使得燃烧器实际燃烧时更加充分稳定， 提高燃烧产能。 说 明 书 CN 103615720 A 4 2/7 页 5 附图说明 0013 图 1 为本发明泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法在一实施例中的流程 示意图。 0014 图 2 为图 1 中辐射能量传递过程及符号示意图。 0015 图 3 为不同候选当。
12、量比下的火焰迁移情况示意图。 具体实施方式 0016 下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细说明， 但本发明的实施方式不限于 此。 0017 如图 1 所示， 是本发明一种泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法在一实施 例中的流程示意图， 包括如下步骤 ： 0018 S11、 生成泡沫陶瓷燃烧器的物理模型 ； 0019 本实施例的泡沫陶瓷燃烧器， 整个装置包括燃烧器、 点火器、 绝热层和通气孔等部 分。 燃烧器主要由能使燃气和空气得以充分混合的预混室和装有多孔泡沫陶瓷芯的燃烧管 组成。燃烧管竖直向上， 燃气和空气分别从预混室下端进入室内。预混室内填充大孔径泡 沫陶瓷块， 以使气体在向上流动过。
13、程中经众多不规则缝隙通道流动而相互掺混， 均匀进入 燃烧管， 预混可燃气体在泡沫陶瓷内形成稳定的火焰锋面， 燃烧后流出泡沫陶瓷层。 为减少 管内火焰及燃烧产物的径向热量损失， 使实验能接近于一维燃烧条件， 管外包有一层耐高 温的陶瓷纤维绝热层。 根据泡沫陶瓷燃烧器的物理参数， 在稳定燃烧状态下， 整个燃烧过程 可以按一维定常流动来处理。 0020 本实施例中， 为了建立燃烧的数学模型， 对后续更为精确地模拟泡沫陶瓷燃烧器 的预混燃烧， 需对泡沫陶瓷燃烧器的物理模型做如下的修正 ： 0021 泡沫陶瓷基质处理为连续介质 ； 0022 混合气体为理想气体， 气体混合物在稳定燃烧过程中， 各组分的化。
14、学性质 ( 活化 能 Ea， 指前因子 A 等 ) 不变， 忽略弥散效应和 Dufour 效应的影响 ； 0023 燃烧反应为总体单步不可逆反应， 并服从 Arrehnius 定律， 忽略泡沫陶瓷的潜在 的催化效应 ； 0024 泡沫陶瓷为各向同性的发射、 吸收和散射热辐射的灰介质 ； 0025 设定气体在多孔介质中以较低的速度流动， 即不考虑压力梯度的变化， 忽略体积 力的影响， 认为混合气是透明的气体， 忽略混合气的热辐射。 0026 S12、 采用扩散近似法建立所述泡沫陶瓷燃烧器介质内部的辐射热通量， 采用双通 量法建立所述泡沫陶瓷燃烧器边界的辐射热通量， 得到所述泡沫陶瓷燃烧器的固相能。
15、量方 程 ； 0027 S13、 采用控制容积能量平衡法建立泡沫陶瓷燃烧器的预混燃烧控制模型， 其中， 所述预混燃烧控制模型包含所述固相能量方程 ； 0028 对于泡沫陶瓷的燃烧过程， 气、 固相的传热能力有明显差异， 气体燃料燃烧释放出 来的热量不可能立刻完全传递给固体基质， 因此两相之间存在局部温差， 即二者处于局部 非热平衡状态， 应分别建立能量输运方程， 并通过两相之间的表面对流换热系数将这两个 方程耦合起来， 这一点与普通的预混燃烧不同。本实施例中引入多孔介质的体积孔隙率 说 明 书 CN 103615720 A 5 3/7 页 6 以描述固相介质的存在对燃烧的影响， 根据多组分反应。
16、流体的基本定律和基本方程， 建立 了如下控制模型 ： 0029 连续性方程 ： 0030 0031 式中 ： g气体混合物的密度 ； u气体流速 ； 多孔介质孔隙率 ； x轴向距 离。 0032 混合气动量方程 ： 0033 p const （2） 0034 混合气的能量方程 ： 0035 0036 式中 ： Tg为气体的温度 ； g为气体混合物的导热系数 ； cp为气体混合物的定压比 热 ； cpk为组分 k 的定压比热 ； g为气体混合物的密度 ； hk为组分 k 的比焓 ； k为组分 k 的 质量生成速率 ； h 为表面对流换热系数 ； SV为单位体积比表面积 ； Ts为多孔固体的温度。。
17、 0037 固相能量方程 ： 0038 0039 式中 ： s为多孔固体的导热系数 ； qr为辐射热密度。 0040 组分守恒方程 ： 0041 0042 式中 ： Yk组分 k 的质量分数 ； Vk组分 k 的扩散速度 ； k组分 k 的质量生成速 率。 0043 理想气体状态方程 ： 0044 0045 式中 ： p气体混合物的压力 ； R通用气体常数 ； W气体摩尔质量。 0046 在燃烧的控制方程组的固相能量方程中， 包含有固体的热辐射项 qr， 该项的正确 处理是泡沫陶瓷内预混燃烧的数值模拟的关键环节， 必须根据辐射传热理论， 找到合适的 处理方法。 0047 为了得到吸收、 发射和。
18、散射性介质中的温度分布和热流， 往往需要解析求解或数 值求解辐射传递方程和能量守恒方程。但由于辐射传递方程是一个积分 - 微分方程， 解析 求解相当困难。但在某些情况下， 可以有效地利用各种近似求解技术， 获得近似解。扩散近 似法 （Rosseland 法） 将根据辐射能量平衡建立的积分方程转变成一个犹如导热那样的扩 说 明 书 CN 103615720 A 6 4/7 页 7 散方程， 使求解大大简化。 该方法是辐射传递方程在光学厚度很大的情况下的近似解法， 适 用于光学厚介质， 一般要求介质光学厚度约大于 2， 还要求介质中的辐射强度接近于各项同 性， 因此， 应用范围比较狭窄但求解占用计。
19、算机资源少。 为了节省计算时间又保证足够的计 算精度， 本实施例在介质内部拟采用 Rosseland 法计算辐射热通量， 而因为在边界面附近 不满足光学厚介质的条件， 因此在边界区域采用忽略散射的双通量法计算辐射热通量。 0048 对于发射、 吸收和散射介质， 辐射能量在其内部的传递过程及符号见图 2。 0049 根据辐射传热理论， 假设介质处于局部辐射热平衡， 则 s 方向光谱辐射传递方程 为 ： 0050 0051 式中 ： I为光谱辐射强度 ； ka和 ks为介质的光谱吸收系数和散射系数 ； Ib为 黑体光谱辐射强度 ； 和 i为在 s 位置的立体角 ； 为散射相函数。 0052 将光谱。
20、吸收系数和散射系数合并， 写成 ke=ka+ks， ke称消光系数， 并令 =ks/ke， 称为反照率， 式 （7） 可写为 ： 0053 0054 扩散近似法 ： 0055 对于灰介质， 其表达式为 ： 0056 0057 式中所述qr(x)为所述泡沫陶瓷燃烧器介质内部的辐射热密度， n为介质的折射系 数， T 为气体温度， 为波尔兹曼常数 ； ke为边界出口辐射厚度。 0058 扩散近似法适用于光学厚介质条件下， 实际上是要求研究的区域离开燃烧器出口 至少要有一个量子平均自由行程的距离。因此， 本实施例在边界辐射换热模采用双通量模 型。 0059 双通量法 ： 0060 说 明 书 CN 。
21、103615720 A 7 5/7 页 8 0061 可以用式 （10） 计算各位置的辐射热密度， E3(x) 为任意位置处 x 的黑体辐射强度， Ib(x*) 为任意位置 x 处的辐射强度， ka为吸收系数， Ie为出口位置的辐射强度， L 计算区域 的长度。 0062 S14、 对所述预混燃烧控制模型进行离散， 得到离散控制模型 ； 0063 S15、 根据所述离散控制模型和所述物理模型， 对所述泡沫陶瓷燃烧器在各个候选 燃烧气体当量比下的预混燃烧进行数值模拟 ； 0064 S16、 根据所述数值模拟结果， 按照预设的筛选条件对所述各个候选燃烧气体当量 比进行筛选 ； 0065 对步骤 S。
22、13 得的所述预混燃烧控制模型进行离散， 得到离散控制模型， 在根据燃 烧器的物理模型， 从而得到数值模拟结果， 即燃烧器各个节点的燃烧特性 ； 可根据预设的 多个候选燃烧气体当量比， 对各个候选燃烧气体当量比进行数值模拟， 根据数值模拟结果， 按照预设的筛选条件对所述各个候选燃烧气体当量比进行筛选， 选出燃烧性能最好的当量 比， 使得燃烧器实际燃烧时更加充分稳定， 提高燃烧产能。 0066 接下来再详细描述利用本发明方法进行数值模拟筛选候选燃烧气体当量比的过 程。 0067 本实施例采用 G-S 迭代算法求解瓦斯气体在泡沫陶瓷中预混燃烧的过程。对描述 瓦斯气体预混燃烧的控制方程组(1-6)，。
23、 进行了控制容积法离散。 数值模拟中多孔介质材料 采用 Al2O3。不同孔密度下多孔介质的平均孔径见表 1。不同孔眼密度下泡沫陶瓷的比表面 积见表 2。 0068 表 1 不同规格的泡沫陶瓷平均孔径 （ 0.85） 0069 0070 数值模拟中泡沫陶瓷的导热系数通过实验关联式， 辐射性能参数采用如下表的氧 化铝多孔泡沫陶瓷消光系数数据。 0071 表 2 不同泡沫陶瓷比表面积模型对比 （ 0.85） 0072 0073 表 3 不同孔径氧化铝的消光系数 （波长为 488nm） 说 明 书 CN 103615720 A 8 6/7 页 9 0074 0075 本实施例的瓦斯气体采用井下开采工作。
24、面的抽放瓦斯， 经压气机压缩后灌入压力 钢瓶内储藏。瓦斯的主要成分见表 4。可以看出， 瓦斯中可燃成分主要是甲烷。 0076 表 4 实验用煤矿瓦斯的成分 0077 0078 数值模拟中在 0.1m 长的一维计算区域内， 采用不同网格点数 （400， 500， 600， 800） 下进行了网格无关性的检验， 结果表明采用 600 个网格点， 数值模拟的结果与网格步长没 有关系， 因此本实施例模拟中离散的网格点数为600。 迭代开始前在整个计算区域给定了一 个初始的组分场和温度场。由于初始的组分场和温度场对迭代收敛的速度有影响， 但是随 着迭代的不断进行， 最终数值模拟的结果与初始分布没有直接的。
25、关系。迭代由第 1 节点开 始， 在温度初场和组分初场下求解化学反应项， 将计算得到的燃烧热加到稳态气体能量方 程和固相能量方程中， 求出气体温度和固体温度的新值。在新的气体温度下和组分初场下 求解各组分方程。 然后， 在空间上向前推进一个节点， 直到出口边界节点， 完成一轮计算， 即 产生各节点新值。将新值和老值对比， 如果满足精度标准， 就完成迭代， 否则， 将气体温度、 固体温度和组分新值赋给老值继续开始下一轮迭代， 直到满足迭代收敛精度。迭代的收敛 标准为 ： 0079 max(|Tg1-Tg2|) 0.0001 0080 其中 Tg1 是前一个迭代步得到的气体相的温度， Tg2 是下。
26、一个迭代步计算得到的 气体相的温度。 0081 数值模拟在预测火焰最高温度与试验有一定的偏差。数值模拟的最高温度要高 于试验的结果， 可能原因是试验中存在散热损失。另外由于目前在计算多孔介质换热特性 的数学模型， 比如体积换热系数， 导热系数和辐射性能参数等与试验结果有较大的偏差， 导 致数值模拟的结果可能很难准确预测火焰的最高温度， 需要在今后的数值模拟和试验研究 中， 进一步完善多孔介质内换热性能的表达式。 0082 图3表示出了流速为0.4m/s时不同候选当量比下的火焰迁移情况。 图中从左至右 三组曲线分别对应当量比为 0.6、 0.5、 0.4 的气体与固体温度及化学反应速率。可以看出。
27、， 随当量比的增加， 火焰将向燃烧器上游迁移， 说明当量比高时容易发生回火 ； 随着当量比的 减小， 火焰将向下游漂移， 说明当量比小时容易脱火， 燃烧不稳定。当量比为 0.6 时流速为 0.4m/s 时火焰即将退出泡沫陶瓷燃烧区 ； 当量比为 0.4、 流速为 0.4m/s 时火焰即将脱火 ； 再根据预设的筛选条件则可选出最优的燃烧气体当量比。 0083 本发明泡沫陶瓷燃烧器燃烧气体当量比的筛选方法， 采用扩散近似法建立所述泡 沫陶瓷燃烧器介质内部的辐射热通量， 采用双通量法建立所述泡沫陶瓷燃烧器边界的辐射 热通量， 得到所述泡沫陶瓷燃烧器的固相能量方程 ； 本发明通过辐射热通量的处理， 显。
28、著提 说 明 书 CN 103615720 A 9 7/7 页 10 高预混燃烧数值模拟结果的精确度， 根据该结果， 可以对预设的多个燃烧气体当量比进行 筛选， 使得燃烧器实际燃烧时更加充分稳定， 提高燃烧产能。 0084 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式， 其描述较为具体和详细， 但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是， 对于本领域的普通技术人员 来说， 在不脱离本发明构思的前提下， 还可以做出若干变形和改进， 这些都属于本发明的保 护范围。因此， 本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。 说 明 书 CN 103615720 A 10 1/2 页 11 图 1 说 明 书 附 图 CN 103615720 A 11 2/2 页 12 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103615720 A 12 。