双层多孔介质燃烧器材料与结构参数的优化

摘要

多孔介质燃烧是一种新颖独特的燃烧方式，是改善能源环境问题的一项新途径。国外已经成功将其应用在许多工业领域中，但我国在多孔介质燃烧器的中高温(≥800℃)工业应用方面并未成熟。因此本文针对中高温工业领域进行了多孔介质燃烧器材质和结构参数优化的研究，主要工作包括以下两个部分:
　　(1)针对带钢涂层干燥工艺要求，自主研制了大型单层和双层泡沫陶瓷燃烧器装置，并搭建了多孔介质预混燃烧实验系统，根据干燥工艺对辐射板面的温度要求，进行了天然气/空气的预混燃烧实验。考察了多孔介质材质对预混气体在大面板泡沫陶瓷燃烧器中燃烧辐射面温度和稳定燃烧特性的影响。结果表明，相比于Al2O3，SiC和ZrO2均表现出优良的可稳定使用特性。实验测得了18种稳定燃烧工况，其中单层燃烧装置中孔密度35PPI，厚度35mm的ZrO2材质在热负荷270kW/m2，过量空气系数0.69时表现最优，孔密度35PPI，厚度35mm的SiC材质在热负荷324kW/m2，过量空气系数0.67时表现最优;双层燃烧装置中SiC+SiC结构在热负荷324kW/m2，过量空气系数0.69时表现最优，SiC+ZrO2结构在热负荷270kW/m2，过量空气系数0.64时表现最优，双层燃烧装置中大、小孔介质孔密度分别为60PPI和25PPI，厚度分别为25mm和35mm。燃烧区介质在相同的结构参数下，双层燃烧装置可以增加热负荷调节范围，表现更优，且双层燃烧装置中上游预热区介质应选择导热系数较小的材料，这样可以适当降低热负荷调节下限，从而增加稳定燃烧范围。
　　(2)泡沫陶瓷材料及其微观结构对多孔介质燃烧特性影响的数值模拟研究。首先，基于FLUENT14.5软件建立了双层多孔介质燃烧器的二维瞬态双温物理数学模型;并进行了网格无关性和有效性验证;然后基于Kelvin模型，建立了泡沫陶瓷的微观结构参数（孔筋长度、孔筋半径、微立方体节点边长）与其孔隙率和导热系数的关系式;讨论了泡沫陶瓷材料种类及其微观结构参数对双层多孔介质燃烧器内甲烷/空气预混燃烧性能的影响。结果表明，当量比为0.6时，三种材料的稳定燃烧范围以SiC、ZrO2和Al2O3的顺序依次降低，SiC泡沫陶瓷是燃烧区最优的材质。在考虑温度对材料热物性参数的影响时，相同的工况下燃烧区气、固相温度均降低，且燃烧区内三种材质的气、固温度梯度不同。燃烧区材质只会影响燃烧区的气、固温度分布，而预热区材质对燃烧器预热区和燃烧区的温度分布均会造成影响，预热区应选择导热系数较小的材料，ZrO2为最优的预热区材质。泡沫陶瓷材料微观结构无量纲参数d（微立方体节点边长与孔筋长度之比）的增加会降低多孔介质内的气固温度分布，而且会改变火焰面驻定的位置;而e（孔筋半径与孔筋长度之比）的改变对气固温度分布影响不大。因此，在实际的泡沫陶瓷材料选型中必须优先考虑微立方体节点边长和孔筋长度的尺寸。当燃烧器壁面有热损失时，燃烧器气体温度呈现明显的二维结构，ZrO2+SiC构造的燃烧器受壁面热损失的影响较大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 多孔介质预混燃烧技术

1．2．1 多孔介质材料

1．2．2 多孔介质预混燃烧机理

1．2．3 多孔介质燃烧器应用

1．3 双层多孔介质预混燃烧研究进展

1．3．1 传热特性参数的影响

1．3．2 结构参数的影响

1．3．3 操作参数的影响

1．4 本文主要研究内容和方法

第2章 带钢涂层干燥用大型多孔泡沫陶瓷燃烧器的研制与实验

2．1 引言

2．2 大型多孔泡沫陶瓷预混燃烧实验系统

2．2．1 多孔泡沫陶瓷燃烧器本体

2．2．2 空燃气混合器

2．2．3 供气系统

2．2．4 测量系统

2．3 实验方法及过程

2．4 实验结果与分析

2．4．1 稳定燃烧工况

2．4．2 最优稳定燃烧工况

2．5 本章小结

第3章 双层多孔介质燃烧器物理数学模型的建立

3．1 物理模型及假设

3．2 控制方程

3．3 边界条件和初始条件

3．4 数值计算方法

3．5 数值求解检验

3．5．1 网格无关性验证

3．5．2 有效性验证

第4章 泡沫陶瓷材料及其微观结构参数对多孔介质预混燃烧特性的影响

4．1 引言

4．2 泡沫陶瓷材料的特性参数

4．3 结果及分析

4．3．1 数值模拟验证

4．3．2 燃烧区材质对气、同温度分布的影响

4．3．3 燃烧区微观结构对气、固温度分布的影响

4．3．4 预热区材质对气、固温度分布的影响

4．3．5 壁面热损失系数对气、固温度分布的影响

4．4 本章小结

第5章 结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

攻读硕士学位期间参加的科研项目