生物质燃烧机性能的实验研究
摘要：为保证微型热光电动力系统能稳定、高效地工作，生物质燃烧机壁面需有较高的温度，且分布均匀，对采用多孔介质结构的微型生物质燃烧机进行了实验研究，分析了孔隙率、CH4/02混合比等因素对生物质燃烧机性能的影响，结果表明，采用多孔介质结构可以改善生物质燃烧机内的燃烧传热过程；合理选择孔隙率和工况参数，可以优化生物质燃烧机壁面温度分布，提高系统工作性能．
    徼型热光电（micro thermophotovoltaic，MTPV）动力系统是一种新概念的微动力系统，由热光电( TPV)能量转换系统发展而来．TPV系统的基本原理是把燃料燃烧所产生的热能以热辐射形式释放，使用光电池将其转换成电能．TPV系统作为一种清洁、静噪的电源，具有很多优点：无运动部件、功率密度高、燃料范围广．最近几年，由于低能带隙光电池和耐高温材料领域的进展，MTPV系统的研究引起了人们的关注．MT-PV系统在空间足度上的缩小，使面积／容积比率增大，可更充分地利用燃烧辐射来激发热光电产生电流，提高能量转换效率[1-31．
    MTPV系统主要包括3大部分：微型生物质燃烧机、可选择波长辐射器和光电池．其系统示意图见图1．微型燃烧器是MTPV系统中燃料燃烧释放热能的空间，作为MTPV系统的能量源，研究其结构、燃烧和换热过程，对改善燃烧、提高效率、降低污染排放、提高工作稳定性有重要意义．
    多孔介质中的超绝热燃烧是国外在20世纪80年代末和90年代中发展起来的新型燃烧技术[4]．但笔者尚未见到在诸如MTPV等微动力系统中应用的研究报告．现有MTPV微型生物质燃烧机的缺陷在于预混合气在微型火焰管内的驻留时间太短，在其内部不能充分燃烧，进而使经火焰管壁面的热传导和辐射所传递的能量比例大大降低‘5-6．为了延长预混合气在微型燃烧管内的驻留时间、强化燃烧和传热，本文提出了在MTPV系统中采用多孔介质生物质燃烧机的设想．让混合气在多孔介质燃烧室中燃烧，利用其相对于自由空间的气体而言强大得多的蓄热功能和辐射特性，实现热反馈，从而使燃烧反应大大增强，提高燃烧速度，使火焰温度升高，并扩展混合气的可燃极限．由于固体材料的热传导和辐射性能优于气体，使得多孔介质生物质燃烧机具有燃烧率高、火焰稳定、易控制燃烧区温度、壁面温度分布相对均匀等特点‘7]，这对于利用壁面辐射传递能量的MIPV动力系统来说是最为理想的燃烧方式．
    笔者通过实验研究，探讨了多孔介质微型生物质燃烧机在MIPV系统中的可行性，分析主要参数对燃烧过程的影响．
1  实验装置
    本实验所用燃料为CH4，并以02为助燃剂．实验装置如图2历示．流量控制系统采用美国MSK流量控制器，用来精确控制CH4和02的体积流量，按一定的混合比向生物质燃烧机提供燃料混合气．
    生物质燃烧机为圆管状结构，其材料选用了具有较强耐高温性能的Al2 03陶瓷．生物质燃烧机直径为10 mm，长度为25 mm.在管内填充不同直径的陶瓷球形成多孔介质结构．陶瓷球的直径为1~3 mm不等，经过认真筛选，使每种测试的多孔介质结构具有相同直径的陶瓷球．
    燃烧状况通过测量生物质燃烧机管壁和出口端面的温度进行考察．用直径为0.3 mm的S型铂铑一铂热电偶进行测量．在沿燃烧管长方向布置5个测温点，在出口沿径向有5个测温点．
2  实验结果及分析
2.1  孔隙率￡的影响
    孔隙率占是多孔介质中空隙容积v.与多孔介质总容积v之比，是影响多孔介质内燃烧传热的重要参数之一．根据在生物质燃烧机管内填充的陶瓷球直径的不同，形成的多孔结构的孔隙率不同，在实验研究中，采用了孔隙率占分别为0. 37、0.42、0.68的燃烧管和不填充陶瓷球的空管（占=1）．
    表1为在不同的孔隙率8、不同面容比以（固体骨架总表面积A与多孔介质总容积v之比）、不同的入口流量Q时，混合燃气化学当量比在a=l的条件下，通过实验得到的燃烷器壁面的平均温度（生物质燃烧机壁面
5点测温的算术平均值）．
    由表l可见，人口流量Q= 105 CII13／mlll时，多孔介质生物质燃烧机的壁面平均温度均达到1 000 K以上，而空管生物质燃烧机在Q= 150 CI113／IIUI1时壁面平均温度才达到1 000 K，这也说明采用多孔介质结构可以获得较高的燃料利用率．
    图3为不同的孔隙率对生物质燃烧机壁面温度和出口温度影响的实验结果．由图3(a)可见，当孔隙率占等于1（空管）时，生物质燃烧机壁温从人口端到出口端逐渐升高且变化幅度较大，这说明由于在空管中燃气驻留时间短，混合气在通过生物质燃烧机时，初期的燃烧放热量较小，主要燃烧放热集中在生物质燃烧机的后段；当采用多孔介质结构时，混合气体在其孔隙中流动、燃烧，多孔介质固体骨架对其进行了有效的加热，使之燃烧充分，多孔介质生物质燃烧机管壁温度明显高于空昝生物质燃烧机．由图3(b)可见，空管生物质燃烧机的出口温度则比较高，说明燃烧损失增加．
    从实验结果来看，采用多孔介质后，从入口到出口，随着燃烧放热量的增大，生物质燃烧机壁温逐渐升高，同时孔隙内的燃烧产物也在增多，使得后期的燃烧放热受到影响，导致生物质燃烧机壁温有所降低，生物质燃烧机壁温呈先升后降的变化．而且随着孔隙率占的减小，壁温达到值的位置也向人口段移动，说明在孔隙率占较小时燃烧产物的存在对未燃燃料的燃烧影响加大．
    实验结果表明，当孔隙率艿由1减小到0. 68、0. 42时，生物质燃烧机壁面温度升高，且壁面温度分布梯度减小，同时出口温度降低．但当孔隙率占减小到0. 37时，生物质燃烧机壁面温度反而有所降低，出口温度有所提高．这是由于当孔隙率占减小到一定程度时，面容比力随之增大所致．虽然固体骨架对燃料进行了有效的加热，使之燃烧充分，但是面容比的加大，使散热面积相应增加，影响燃烧稳定性，同时燃烧所占空间过小，使得燃料驻留时间减少，导致燃烧和换热不充分．
2.2 CH4/02混合比的影响
    燃烧反应的进行取决于燃料的浓度、温度以及在高温区的滞留时间，因此CH4/02混合气的混合比是影响多孔介质内燃烧过程的一个重要因素．
    孔隙率占为0. 42，？昆合气流量Q为150 cm3/min时，CH。/02当量比a对生物质燃烧机壁温和出口温度的影响，见图4．
    由图4可见，当孔隙率和混合气流量不变时，随着CH。/02混合比的变化，生物质燃烧机壁温及出口温度也相应变化，根据反应方程，完全燃烧时，CH4/02泥合气的混合比为1：2.因此，CH4/02混合比在1:2左右，即当量比a=l时，生物质燃烧机壁温及出口温度较高；而随着混合气CH4的减少，生物质燃烧机壁温及出口温度随之降低．所以，为了获得热光电转换所必需的燃烧温度，CH4/02混合比应保证在1:2左右．
(a)壁面温度
    (b)出口温度
2.3入口流量Q的影响
    孔隙率8为0. 42，CH4/02混合气当量比a为1时，人口流量p对生物质燃烧机壁温和出口温度的影响见图5．由图5可见，在孔隙率和CH4/02混合比不变时，随(a)壁面温度    (b)出口温度
着人口流量Q的增加，壁面温度和出口温度都会相应升高．要使生物质燃烧机壁温达到一定的温度，必须要保证足够的人口流量Q．但入口流量也不宜过大，从图中Q=150 cm3/min工况可看出，壁温升高不明显，而出口温度显著升高，热损失增大，这是由于流量增加使流速增大，燃气驻留时间减少，壁温升高又使燃烧效率下降，因而会降低综合效率．
3结论
    (1)微型生物质燃烧机采用多孔介质结构可以改善燃烧器内的燃烧过程，多孔介质生物质燃烧机的壁面温度明显高于空管生物质燃烧机，并且分布均匀，出口温度降低，这对改善MTPV系统中燃烧辐射器的性能，提高能量转换效率，都有十分重要的指导意义．
    (2)孔隙率占是影响多孔介质生物质燃烧机内燃烧的一个重要影响因素，孔隙率占过大或过小都会对燃烧产生不利的影响，在本研究条件下，孔隙率占为0. 42时．
    (3)为了获得热光电转换所必需的燃烧温度，CH4/02混合比应保证在1:2左右（当量比a=l）的同时，还要保证适当的人口流量Q．