生物质燃料加热设备的设计、分析及试验研究

摘要

随着我国设施农业的蓬勃发展，生物质燃料加热设备作为一种节能、环保的加热补温设备，被越来越多的人们信赖，并逐渐被大量应用到温室、大棚、粮仓等场所。
　　 目前，生物质燃料加热设备的理论分析还尚未成熟，需要对设备的性能做进一步的分析研究。本文借鉴国内外的一些经验，根据燃烧学、传热学、流体力学等原理，对设备的气化、燃烧和换热装置进行了结构设计、数值模拟、试验研究以及结构优化，获得了一些具有实用性价值的结果，对设备的推广应用具有重要的指导意义。
　　 本生物质燃料加热设备由山西省农机局重点扶持开发推广，经山西省农业机械鉴定站鉴定并试产销售，在保障农产品的季节性均衡供应、改善城乡居民生活质量、提高农业的机械化及现代化水平等方面发挥着越来越重要的作用。此外，该设备还对提高工作效率、降低生产成本、提高生产经济效益以及保护生态环境方面具有十分重要的意义，具有十分广阔的应用前景。
　　 论文主要研究成果如下：
　　 1)本文在分析各种气化装置气化特点、生物质燃气特点和燃烧稳定性的需求以及各种换热装置结构特点和流动传热规律的基础上，分别选取适合农村使用的上吸式气化炉、低压扩散自然引风式燃烧器以及普通管壳式换热器作为设计方案，完成了生物质燃料加热设备中气化、燃烧和换热装置的结构设计。
　　 2)在对气化装置进行原料适应性、气化空气量变化等实验，得到生物质燃气组分和热值的基础上，借助FLUENT软件，对燃烧器主体部分进行了燃烧的数值模拟，模拟结果表明燃烧器整体燃烧效果良好，燃烧室最高温度为900K左右，火焰比较稳定，燃烧室有明显的稳焰作用，NOx污染物含量比较低。随后利用FLUENT软件，对换热器主体进行了流动传热数值模拟，得到了不同工况下温度场流场分布图、各进出口温度速度及传热量、总传热系数等相关数据。结果表明换热器整体流动传热效果良好，但壳程出现死区，局部存在少量温度速度集中现象。
　　 3)随后对生物质燃料加热设备样机进行了相关实验研究，验证了数值模拟结果的正确性。实验结果表明气化装置原料适应性良好，燃气组分和热值随气化空气量变化而变化，燃气品质较好；燃烧装置整体工作状况良好，燃烧效率略低，NOx生成量达标，与数值模拟结果比较吻合；换热装置实验结果与数值模拟结果总体吻合，不同工况下各进出口温度、速度、传热量以及总传热系数等参数变化趋势比较相似。
　　 4)在管壳式换热器原模型的基础上，进行了增设折流板的优化设计，并分别模拟了双折流板和四折流板换热器在不同工况下的流动传热性能，模拟结果表明优化模型壳程死区面积减少，温度速度集中现象不再明显，壳程空气出口温度、传热量、总传热系数等值都有明显的增加，强化了流动传热效果，验证了该管壳式换热器的优化设计的合理性和必要性。