生物燃油燃燒機的設計及實驗研究

田仲富，王述洋

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱　150040)

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生物燃油燃燒機的設計及實驗研究

田仲富，王述洋

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱150040)

摘要：從工業用生物燃油燃燒機的機理、基本結構、燃油供給系統、霧化噴嘴、霧化角、配風系統以及點火裝置等方面對工業用生物燃油燃燒機進行了計算和設計。利用FLUENT流體力學軟件分別從生物燃油的霧化和燃燒效果對所設計的燃燒機進行了仿真實驗。結果表明：所設計的生物燃油燃燒機能夠滿足一般工業的用熱需求。

關鍵詞：生物燃油；燃燒機；仿真實驗；霧化效果

近年來，我國的經濟處于快速發展階段，各類能源的消耗量也居于世界前列，已嚴重影響我國經濟的可持續發展。因此，多方尋求能源供給渠道、開發挖掘使用各種可再生能源已成為解決這一問題的有效方式。其中生物燃油最有可能替代傳統化石燃料在工業生產中進行供熱和供能。然而，現在市面上的燃油燃燒機多以化學燃料為主，因為不同燃油的理化特性差別較大，則在同樣的條件下，生物燃油不能在常規的燃油燃燒機中進行充分的燃燒，這將是能源的巨大浪費；另外，由于生物燃油在80°以上的溫度下，其黏度和溫度之間成正比關系，若這時溫度進一步提高，在相應的化學條件具備時，生物燃油各組分之間將發生聚合反應，進而形成分子量更大的化合物，其黏度會瞬間增大，隨著時間的累積形成結焦，最終將導致燃燒機油管堵塞甚至使整機燃油系統癱瘓。因此，開發一種能夠充分燃燒生物燃油、盡量避免燃油的特性對機器造成損壞的燃燒機顯得十分重要。

1工業用生物燃油燃燒機的機理

生物燃油燃燒機和普通燃油燃燒機的基本結構和工作原理相似，都是由供油系統、配風系統、點火裝置和附屬機構等組成。在燃油燃燒的過程中，首先將燃油噴成霧滴狀射流，在旋流或者靜止空氣介質中燃燒，整個過程等同于氣體燃料的擴散燃燒過程。由于生物燃油的性質和化石液體燃料存在較大差別，其燃燒過程更復雜、燃燒更困難。為了使其能夠充分燃燒、節約能源、降低環境污染物的排放，設計一款適合生物燃油燃燒的工業用生物燃油燃燒機具有較大的社會、經濟意義。

1.1生物燃油燃燒機基本結構

為了滿足生物燃油高效、清潔燃燒的要求，生物燃油燃燒機的霧化能力相比傳統燃燒機要高，其結構更緊湊，布局更合理。生物燃油燃燒機的工作原理與一般的燃油燃燒機相似。本研究參考國內外先進的燃油燃燒機，設計了適合生物燃油燃燒的大功率工業用生物燃油燃燒機，其總體結構如圖1所示。該生物燃油燃燒機主要由燃油供給系統、噴嘴總成、配風系統、點火裝置、動力單元以及附屬機構等組成。

1.底座 ；2.點火系統；3.回流室；4.穩焰裝置；5.噴頭總成；6.固定盤；7.旋流器；8.一次風管道；9.閥門；10.二次風管道；11.燃油供給系統；12.電動機；13.風機

圖1工業用生物燃油燃燒機的結構

1.2生物燃油燃燒機主要技術參數

在工業用生物燃油燃燒機設計過程中對節能減排和使用安全性等方面進行了全面的考量。該生物燃油燃燒機主要技術參數如表1所示。

表1　生物燃油燃燒機的技術參數

2燃油供給系統的設計

2.1燃燒機油泵和油管設計

油管在生物燃油燃燒機中起到將油泵抽出的燃油輸送到噴嘴的作用，一般位于燃燒機內部。由于生物燃油燃燒機在工作時燃油的壓力和流速都不大，并且考慮到成本的因素，本文選擇軟管作為燃燒機的主油管，其內徑d的計算公式為

(1)

式中 ：Q為油管中燃油流量(m3/s)；ν為油管的允許流速(m/s)。

已知燃燒機噴油量為625 kg/h，生物燃油的密度為1 200 kg/m3，油管中燃油流量的計算公式為

(2)

式中： m為燃燒機噴油量(kg/h)； ρ為生物燃油的密度(kg/m3)。

將數據代入式(2)可得Q=1.446 8×10-4m3/s。對于軟管來講，其允許的流速不應大于1.5m/s，本文選取1m/s。將以上數據代入式(1)可得油管的內徑為13.53mm。查技術手冊，選取內徑為15.7mm、外徑為21.3mm的鍍鋅不銹鋼軟管。

供油系統總的動力來源于油泵，因此油泵工作效率的好壞直接影響燃燒機燃油系統的穩定。根據燃燒機所需要燃燒的能力，選取泊泰邦公司生產的2CY-1.08型齒輪油泵，其主要技術參數如表2所示。

表2　2CY-1.08型齒輪油泵主要技術參數

2.2生物燃油預熱系統設計

由于生物燃油自身的特性導致其直接進行霧化燃燒比較困難，所以其在進入噴油泵之前需要預熱，將其由室溫(25 ℃左右)升高到70～80 ℃后再由噴嘴噴出燃燒。本文主要采用電阻絲式加熱方法對其進行預熱。預熱系統結構如圖2所示，主要包括熱電偶、自動控溫儀以及加熱器等。

圖2　生物燃油電阻絲式預熱系統示意圖

預熱器所做的功主要包括容器內生物燃油加熱需求熱量Q1、生物燃油經過容器表面和保溫層后損失的熱量Q2、容器自身加熱需求熱量Q3，即初始加熱所需要的熱量為

(3)

本文設計的預熱油箱尺寸為1 200 mm×1 200 mm×600 mm，故預熱油箱內生物燃油加熱需求熱量為：

Q1=C1M1ΔT

(4)

式中:C1為生物燃油的比熱，為2.408 1 kJ/kg·K；M1為生物燃油的質量(kg)；ΔT為生物燃油的溫差(K)。

在油箱中生物燃油質量為864 kg，預熱后的生物燃油前后溫差為318 K，代入式(4)可知預熱油箱內生物燃油需求熱量為661 633.6 kJ。已知鐵的比熱為0.504 kJ/kg·℃，油箱質量為200 kg，同理可得容器自身加熱需求熱量為4 536 kJ。生物燃油經過容器表面和保溫層后損失的熱量比例約為20%，所以生物燃油經過容器表面和保溫層后損失的熱量為132 326.71 kJ，故初始加熱所需的熱量為798 496.27 kJ，即初始加熱的功率為 221 kW。

為保證生物燃油燃燒機正常運行，生物燃油經預熱后每小時需要輸出625 kg生物燃油，同時補充相同質量的生物燃油進入預熱油箱，所以每小時加熱補充的生物燃油所需要的熱量為478 611 kJ，即連續預熱工作過程中需要的功率為132 kW。初始加熱的功率大于工作時需要的功率，加熱器選擇的功率至少為221 kW。綜上，選擇加熱器的功率為221 kW。

2.3霧化噴嘴的設計

噴嘴是實現燃油霧化最簡單的裝置，是燃油燃燒機的關鍵設備之一，因此噴嘴的設計是燃燒機設計的關鍵。霧化噴嘴的直徑是其主要的工作參數，對噴嘴性能的影響也最大，其計算公式為

(5)

式中：dp為霧化噴嘴直徑(mm)；Bp為燃油流量(kg/s)；wp為燃油噴出速度(m/s)；ρ為生物燃油密度，取1 200 kg/m3。

生物燃油從霧化噴嘴噴出的速度wp計算方法為

(6)

式中：μ為生物燃油流速系數，取0.2；P0為燃油在噴嘴處的壓力(Pa)。

燃油通過油泵從油箱中被抽出，經油管被送入噴嘴時有壓力的損失，所以燃油噴出的壓力P0應為

(7)

式中：P為燃油初始壓力，取300 kPa；ΔP為壓力損失(Pa)。

燃油的壓力損失分為沿程壓力損失ΔP1和局部壓力損失ΔP2，即

(8)

經計算ΔP1和ΔP2分別為11 903 Pa和1 200 Pa，因此可以計算出燃油在噴嘴處的壓力P0為

300 000-11 903-1 200=287 897Pa

將上述計算結果代入式(6)，可求得燃油在霧化噴嘴處的速度wp：

由式(5)可計算出霧化噴嘴的直徑dp：

一般情況下，工業燃燒機中的霧化噴嘴為防止堵塞，其直徑大于3 mm，但由于生物燃油在燃燒時易結焦，生物燃油燃燒機的霧化噴嘴的直徑以不小于4 mm為宜。

2.4霧化角的設計

簡單機械式霧化機的流量系數可以按式(9)計算。

(9)

式中：rp為噴嘴半徑(m)；p0為噴嘴入口處油壓(Pa)；ρ0為生物燃油的密度(kg/m3)；G為噴嘴的噴油量(kg/s)。

根據計算所得的參數，經查閱相關手冊確定本設計中的霧化角θ為 98°。

3配風器的設計

配風器是決定燃油鍋爐、工業爐燃燒機燃燒好壞的第一個關鍵設備，它與噴嘴的供油量大小、噴霧錐角大小及噴霧特性密切相關。在不同燃燒階段或狀態必須保持恰當的燃料-空氣比，以及不同燃燒區的燃料-空氣匹配才可保證燃料完全、穩定燃燒。為滿足燃料燃燒的空氣量要求和壓力要求，本文選取離心式順向固定葉片風機。

3.1二次風管的確定

配風器的通風量V計算公式為

(10)

式中：Q為燃燒機的噴油量(kg/h)；Tk為熱空氣溫度，在設計時熱空氣溫度為200～300 ℃，本研究取Tk=200 ℃。將參數代入式(10)計算得V=1.92 m3/s。

由于配風器出口風速一般在35～60 m/s范圍內，選定風速為48 m/s，可以確定配風器的出口截面積F為

(11)

式中w為配風器出口風速(m/s)。將V代入式(11)可得F=0.048 m2。所以風口的直徑為

(12)

需要注意，對于旋流式配風器，以上風速通常是指喉口風速，計算得出的截面積也就是喉口截面積。對于旋流式配風器，可以有一個不大的擴口。在一般情況下，擴口角度不宜大于2×15°，給定喉口距離二次風口距離為130 mm，所以二次風管的直徑為320 mm。

3.2一次風管的確定

對于軸向葉片式旋流器，一次風為直通風，約占總風量的20%，所以進入一次風管的風流量為

V1=V×20%=0.384m3/s

(13)

本研究設計油管為4個噴嘴，一次風管也相應變為4個管道，每個一次風管的流量為V1/4，即0.096 m3/s。一次風的風速一般取30 m/s。將數據代入式(13)得每個風管的面積為0.004 m2，即風管入口處的直徑為71 mm。為了使一次風管中的風速在拉瓦管前達到高風速，本文將風管設計為錐型，靠近拉瓦管逐漸減小，在拉瓦管端口處變為18 mm。

4點火裝置的設計

點火裝置在生物燃油燃燒機的設計過程中占據重要的位置，為生物燃油點燃提供了高溫點火源。在各種燃燒裝置中，除了內燃機的柴油機采用壓燃的方式點火外，其余裝置都需要專門的點火裝置。目前，雖然應用于各類燃燒裝置的點火方式和點火裝置種類多樣，但主要的點火方式仍然以直接點火和間接點火為主。本文為盡量減小燃燒室的復雜程度和有利于燃料的空氣動力學特性，選擇直接點火的方式。選用市場上較流行的飛達點火繼電器，其技術參數如表3所示。

表3　飛達點火繼電器技術參數

5生物燃油燃燒機仿真結果及分析

5.1生物燃油霧化計算結果與分析

1) 生物燃油霧化顆粒。生物燃油經噴嘴噴射出后，霧化后的霧化粒徑分布效果如圖3所示。由圖3可以看出：生物燃油由4個噴嘴噴出；在霧化A區每個噴嘴噴出的油霧相互獨立；在霧化B區各油霧之間發生相互碰撞、擴散；在霧化C區(即主燃區)，經過碰撞和擴散之后，生物燃油油滴粒徑基本處于穩定狀態，油霧分布均勻，顆粒大小適中，霧化效果較好。由此可以看出：本文設計的生物燃油燃燒機4個噴嘴的位置布置合理，且噴口尺寸及霧化角的選擇有利于生物燃油的霧化。

2) 霧化后的生物燃油溫度分布。生物燃油霧化后的溫度場分布如圖4所示，單位為K。由圖4可知：生物燃油由噴嘴噴射后，其溫度在外圍保持較好，大約在473 K左右，說明配風對生物燃油的溫度升高有較大影響。這是因為生物燃油經霧化后，油滴顆粒細小，經473 K的空氣吹過后，升溫迅速，這有利于加速生物燃油的蒸發，縮短生物燃油的預燃期。

圖3　霧化后的生物燃油霧化顆粒分布

圖4　霧化后的生物燃油溫度場分布

3) 霧化后的生物燃油速度分布。生物燃油霧化后的速度分布如圖5所示，單位為m/s。霧化后的生物燃油速度矢量圖如圖6所示，單位為m/s。由圖5可知：生物燃油由噴口噴出后速度最高，約為46 m/s，在回流區速度明顯降低，約為25.9 m/s；隨著軸向距離的增加，油滴速度逐漸減小。從圖6可以看出：生物燃油速度矢量穩定，速度方向理想，有利于霧化。

圖5　霧化后的生物燃油速度場分布

圖6　霧化后的生物燃油速度矢量圖

5.2生物燃油燃燒計算結果與分析

1) 生物燃油燃燒速度分布。生物燃油在燃燒過程中其速度場分布如圖7所示，單位為m/s。將圖7與圖6比較可以看出：兩者速度場分布總體上基本一致，燃燒過程中也是噴口處速度較大，沿軸線方向上速度逐漸減小，其中軸線附近的速度較高。在燃燒速度場中，速度基本都在30 m/s以上，保證了生物燃油與助燃空氣能夠更加充分地混合，提高了生物燃油的燃燒效率。

2) 生物燃油燃燒壓力分布。生物燃油燃燒后燃燒機噴嘴部位的壓力場分布如圖8所示。由圖8可知：隨著生物燃油逐漸燃燒，燃燒機噴嘴處的壓力逐漸變大，最大壓力在166 Pa，壓力十分小，所以生物燃油燃燒機設計合理、結構穩定；在噴嘴出口不遠處會出現負壓現象，生物燃油燃燒壓力最小值為-3.87 Pa，因為在此處形成了回流區，在此區域有不同程度的負壓，以卷吸燃燒室下游已燃高溫油氣回流到燃燒室上游 (即火焰根部)，利用回流的高溫油氣作為持續的點火源，使新鮮可燃混合物及時點燃以穩定燃燒，同時負壓可以保證生物燃油與二次霧化空氣充分混合，提供充足的氧氣將生物燃油完全燃燒，提高燃燒效率。

圖7　生物燃油燃燒速度場分布

圖8　生物燃油燃燒壓力場分布

3) 生物燃油燃燒溫度分布。將生物燃油進行模擬燃燒，得到燃燒后的生物燃油燃燒機中心截面溫度場分布和生物燃油燃燒機出口100 mm截面燃燒溫度云圖，分別如圖9、10所示。由圖9可知：生物燃油由噴嘴噴出后，最外層的生物燃油霧滴與二次風(旋流風)迅速混合燃燒，隨著燃燒空氣和生物燃油不斷混合，為生物燃油燃燒提供了充足的霧化空氣，使生物燃油油霧逐漸升溫并被迅速點火。由圖10可以看出：生物燃油燃燒后的火焰溫度最高可達2 500 K，由于二次風旋流吹入，對燃燒機出口壁面有效的保護，其壁面溫度為565 K，提高了燃燒機的使用壽命。燃燒機中心處溫度相對較低，且最低僅有667 K，其主要由于本研究所設計的燃燒機由4個噴嘴組成，在初始噴油時油霧會在燃燒機中心軸線處出現累積，使其不能充分燃燒。但由圖9可以看出：隨著噴油距離增加，燃燒機中心處的溫度將迅速提高到2 009 K，并且在燃燒機出口處生物燃油溫度基本穩定在2 000 K左右，由此可知生物燃油在燃燒機出口附近基本燃燒完全。

圖9　生物燃油燃燒機中心截面溫度場分布

圖10　生物燃油燃燒機出口100 mm截面

6結束語

本文以節能減排、將生物燃油充分燃燒、降低生產成本為出發點，基于燃燒及熱動力學理論和霧化機理，通過生物燃油理化特性實驗對生物燃油的特性參數進行了研究，并對影響霧化性能的參數進行了分析，設計了一款適用于生物燃油燃燒的燃燒機。該燃燒機主要由燃油供給系統、噴嘴、供風系統、燃油預熱系統以及點火裝置等組成。在燃燒機上布置4個直徑為4.59 mm、霧化角度為98°的噴嘴同時噴霧。同時為了縮短預燃期，利用燃油預熱系統將生物燃油由初始溫度升高到70 ℃。為了提高霧化效果，設置一次配風和二次配風的比例為1∶4，確定一次風管道的內徑為71 mm、二次風管道為320 mm，并選定合適的點火裝置。利用FLUENT流體分析軟件對該燃燒機的霧化過程和燃燒過程進行了仿真實驗。結果表明：在生物燃油霧化過程中，霧化粒徑均勻、顆粒大小適中，油霧速度高達46 m/s，且由噴嘴噴出的油霧溫度達473 K，有效地縮短了生物燃油的預燃期，且滿足設計要求。在燃燒過程中，燃燒后的生物燃油溫度可達2 500 K，達到了工程應用的溫度需求。在回流區負壓(-3.87 Pa)的作用下，生物燃油與二次霧化空氣混合充分，進而為生物燃油完全燃燒提供了充足的氧氣，提高了燃燒效率。

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(責任編輯劉舸)

Design and Simulation Experiment of Bio Fuel Ccombustion Engine

TIAN Zhong-fu, WANG Shu-yang

(School of Mechanical and Electrical Engineering,Northeast Forestry University, Harbin 150040, China)

Abstract:A detailed calculation and design was carried out for industrial use of biomass fuel combustion machine from the industry with the mechanism of bio oil combustion machine, basic structure, fuel supply system, an atomizing nozzle, atomization angle and air distribution system and ignition device, etc. And simulation experiment was processed by using commercial CFD software FLUENT from the biological fuel atomization and combustion of the combustion engine respectively. Experimental results show that the design of bio oil combustion machine can meet the needs of the hot for industry in general.

Key words:bio fuel; combustion engine; simulation experiment; atomization effect

文章編號：1674-8425(2016)04-0053-07

中圖分類號：TK16

文獻標識碼：A

doi:10.3969/j.issn.1674-8425(z).2016.04.010

作者簡介：田仲富(1978—)，男，山東鄆城人，博士，講師，主要從事生物質熱解氣化研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51378096)；黑龍江省自然科學基金資助項目(C201244)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(DL12BB01)

收稿日期：2015-11-28

引用格式：田仲富，王述洋.生物燃油燃燒機的設計及實驗研究[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2016(4):53-59.

Citation format：TIAN Zhong-fu, WANG Shu-yang.Design and Simulation Experiment of Bio Fuel Ccombustion Engine[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2016(4):53-59.