薛治家，夏永放，夏 暢，段明達(dá)，趙雪杉

(沈陽工程學(xué)院 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136 )

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丙烷火焰沖擊換熱機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究

薛治家，夏永放，夏 暢，段明達(dá)，趙雪杉

(沈陽工程學(xué)院 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136 )

沖擊換熱是一種高效的強(qiáng)化換熱形式，丙烷與空氣流量，火焰與鍋具之間的高度及火焰沖擊角度是影響丙烷火焰沖擊換熱中熱效率與污染物排放的重要因素。實(shí)驗(yàn)中設(shè)置丙烷流量分別為0.2 slm、0.3 slm、0.4 slm，空氣流量分別為1.3 slm、1.7 slm、2.0 slm，高度分別為30 mm、40 mm、50 mm，角度分別為0°、15°、30°，進(jìn)行丙烷火焰沖擊換熱實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：丙烷燃?xì)饬髁坎蛔儠r(shí)，增大空氣系數(shù)，NOX增加，CO減小，熱效率有3種變化，說明熱效率與空氣系數(shù)是非線性關(guān)系存在最佳值；高度從最小增加到最大的過程中，熱效率減小，NOX先增加再減小，CO排放量保持降低趨勢，實(shí)驗(yàn)中觀察到丙烷火焰的內(nèi)焰頂部邊緣接觸鍋具時(shí)熱效率最高；角度分別為0°、15°、30°時(shí)，熱效率逐漸降低、NOX和CO逐漸減小。

沖擊換熱;丙烷火焰;節(jié)能;熱效率

沖擊換熱是氣體燃燒熱利用的重要方式，具有火焰與物體直接接觸的特點(diǎn)和效率高的優(yōu)勢。丙烷火焰沖擊換熱機(jī)理的實(shí)驗(yàn)研究是其廣泛推廣的前提。為了高效利用可燃?xì)怏w，國內(nèi)外學(xué)者都對(duì)管道內(nèi)混合火焰沖擊傳播特性及其內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了大量研究[1-5]。國內(nèi)學(xué)者耿鐵等[1]對(duì)沖擊射流的研究，許多結(jié)論都是在特定的實(shí)驗(yàn)條件下得出的，有一定的限定條件和使用范圍，對(duì)沖擊射流內(nèi)在的規(guī)律性的東西還缺少深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)工程應(yīng)用的指導(dǎo)作用還有待進(jìn)一步加強(qiáng)；另外，在沖擊射流的數(shù)值模擬方面[6-9]，尚未找到合適的湍流模型能完全有效地模擬沖擊射流。國外學(xué)者M(jìn)anca Oronzio[10]對(duì)幾種常見的非穩(wěn)態(tài)射流(典型周期性、組合周期性、突擴(kuò)膨脹)進(jìn)行了沖擊換熱的研究，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了分析，建立了一套進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)射流沖擊的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀可知，沖擊換熱過程復(fù)雜，國內(nèi)外對(duì)封閉空間內(nèi)火焰沖擊換熱機(jī)理有待進(jìn)一步完善。因此，通過改變丙烷與空氣流量、火焰與鍋具之間的高度(下文簡稱高度)及火焰沖擊角度(垂直夾角，下文簡稱角度)，來研究不同工況下的熱效率與污染物的排放，從而進(jìn)一步完善丙烷火焰沖擊換熱機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，包括配氣系統(tǒng)、燃燒器、鍋具、煙氣、標(biāo)尺、煙氣分析儀和熱電偶溫度采集器。其中，配氣系統(tǒng)包括空氣側(cè)的空氣泵、儲(chǔ)氣罐、空氣凈化器、質(zhì)量流量控制器和燃?xì)鈧?cè)的丙烷儲(chǔ)氣罐、質(zhì)量流量控制器。燃料為丙烷，純度達(dá)99.9%。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

通過改變丙烷與空氣的流量、高度和角度等參數(shù)，來研究丙烷火焰沖擊換熱的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：

丙烷流量分別為0.2 slm、0.3 slm、0.4 slm，空氣流量分別為1.3 slm、1.7 slm、2.0 slm，高度分別為30 mm、40 mm、50 mm，角度分別為0°、15°、30°。

1.3 熱效率測定及計(jì)算

實(shí)驗(yàn)中所用水量統(tǒng)一規(guī)定為1.5 kg，水的初溫為30 ℃，水的末溫為80 ℃。定義實(shí)測熱效率為水的有效利用熱與輸入熱量的比值。實(shí)測熱效率由下式計(jì)算：

(1)

Q1=CP.H2OQ1=CP.H2O×mH2OΔT

(2)

Qr=Ly×Qar.net

(3)

其中，Q1和Qr分別為有效利用熱和輸入熱量；Cp.H2O、mH2O、ΔT分別為水的比熱、質(zhì)量和加熱前后的溫差；Lv和Qar.net分別為燃?xì)饬亢腿細(xì)獾牡蜔嶂?，丙烷的低熱值?93 164 kJ·m-3。水的比熱容為 4.2 kJ/(kg·℃)。

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

1)實(shí)驗(yàn)開始前首先測量并記錄室溫，室溫約20 ℃。

2)實(shí)驗(yàn)期間，每次實(shí)驗(yàn)保證燃燒器和鍋具均冷卻到室溫。工質(zhì)水溫度達(dá)30 ℃時(shí)開始測溫，溫度達(dá)80 ℃時(shí)，測量結(jié)束。

3)實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)關(guān)閉所有控制閥，并對(duì)室內(nèi)進(jìn)行通風(fēng)換氣，計(jì)算熱效率。煙氣中NOX和CO的濃度通過Texto350煙氣分析儀測定，按國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，通入O2來調(diào)節(jié)CO的濃度，然后折算。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 丙烷與空氣流量對(duì)熱效率及污染物排放的影響實(shí)驗(yàn)

以丙烷流量為0.3 slm、高度為50 mm與空氣流量為1.3 slm、高度為40 mm為例，燃燒情況及其熱效率與污染物排放如圖2和圖3所示。

圖2 丙烷流量為0.3 slm，高度為50 mm，空氣流量分別為1.3 slm、1.7 slm、2.0 slm(從左到右)燃燒情況及熱效率與污染物排放

圖3 空氣流量為1.3 slm，高度為40 mm，丙烷流量分別為0.2 slm、0.3 slm、0.4 slm(從左到右)燃燒情況及熱效率與污染物排放

由圖2分析可知，隨著空氣系數(shù)增大，內(nèi)焰逐漸降低，火焰面接觸鍋底面積變小，沖擊換熱效果變?nèi)酰瑹嵝首冃?，CO與NOX排放符合標(biāo)準(zhǔn)。

由圖3分析可知，隨著丙烷流量增加，內(nèi)焰逐漸升高，火焰面接觸鍋底面積變大，沖擊換熱效果變強(qiáng)，熱效率變大，CO與NOX排放符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 高度對(duì)熱效率及污染物排放的影響實(shí)驗(yàn)

以丙烷流量為0.3 slm，空氣流量為1.3 slm時(shí)改變高度的實(shí)驗(yàn)為例，燃燒情況及其熱效率與污染物的排放如圖4所示。

當(dāng)高度為30 mm時(shí)，火焰面與鍋底接觸面積最大，熱效率最高，同時(shí)CO排放也最多，高于國標(biāo)要求0.05%，NOX排放符合國標(biāo)要求。隨著高度的增加，火焰與鍋底接觸面積減小，熱效率降低。

2.3 角度對(duì)熱效率及污染物排放的影響

以丙烷流量為0.3 slm，空氣流量為1.3 slm，高度為40 mm時(shí)改變角度的實(shí)驗(yàn)為例，燃燒情況及其熱效率與污染物排放如圖5所示。

角度為0°時(shí)，熱效率最高，隨著角度增大到15°和30°時(shí)，火焰與鍋底接觸面積減小，熱效率降低，角度15°和30°時(shí)，面向鍋底一側(cè)的火焰變成黃色，這說明炭黑增加，火焰對(duì)鍋底照射面積增大時(shí)，輻射換熱強(qiáng)度增大，不完全燃燒現(xiàn)象增強(qiáng)。

圖4 丙烷流量為0.3 slm，空氣流量為1.3slm，高度分別為30 mm、40 mm、50 mm(從左到右)燃燒情況及熱效率與污染物排放

圖5 丙烷流量為0.3 slm，空氣流量為1.3slm，高度為40 mm，角度分別為0°、15°、30°(從左到右)燃燒情況及其熱效率與污染物排放

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

表1和表2為不同工況時(shí)熱效率與污染物的排放情況。從表1和表2可以看出，高度相同時(shí)，空氣系數(shù)越小，越可以保持部分工況的熱效率較高，對(duì)應(yīng)CO排放越高，NOX排放相對(duì)較低。這說明大多數(shù)情況下，空氣系數(shù)越小，火焰面與鍋底接觸面積越大，換熱強(qiáng)度越高，火焰溫度相對(duì)降低，不完全燃燒現(xiàn)象增強(qiáng)，CO增加，但NOX隨溫度降低而降低。

表1 不同工況下丙烷沖擊換熱的熱效率

表2 不同工況下污染物的排放量

3 結(jié) 論

1)丙烷燃?xì)饬髁坎蛔儠r(shí)，增大空氣系數(shù)，NOX增加，CO減小，熱效率有3種變化，說明熱效率與空氣系數(shù)是非線性關(guān)系存在最佳值；

2)高度從最小增加到最大的過程中，熱效率減小，NOX先增加再減小，CO排放量保持降低趨勢，實(shí)驗(yàn)中觀察到丙烷火焰的內(nèi)焰頂部邊緣接觸鍋具時(shí)熱效率最高；

3)角度取為0°、15°、30°時(shí)，熱效率逐漸降低、NOX和CO逐漸減小。污染物排放均在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

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(責(zé)任編輯張凱校對(duì)魏靜敏)

ExperimentalStudyontheMechanismofPropaneFlameImpingementHeatTransfer

XUE Zhi-jia,XIA Yong-fang,XIA Chang,DUAN Ming-da,ZHAO Xue-shan

(School of Energy and Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Impingement heat transfer is a kind of efficient heat transfer enhancement,which is widely used in our daily life and military industrial production.The propane and air flow,the distance between the flame and the pot,and the impact angle are the important factors affecting propane flame impingement heat thermal efficiency and pollutant emissions.The experiment set 0.2,0.3,0.4slm propane flow,air flow rate of 1.3,1.7,30,40,2.0 slm,height 50mm,angle of 0 degrees and 15 degrees,30 degrees to conduct a propane flame impingement heat transfer experiment and to measure thermal efficiency and pollutant emissions.The experimental results showed that under the constant propane gas flow rate,as long as the air coefficient increases,the NOx would increase,the CO would decrease,and the thermal efficiency would have three changes.It showed that the thermal efficiency and the air coefficient were nonlinear and thermal efficiency had the best value.In the process of height turning to mix,thermal efficiency and NOx firstly increased and then decreased,and CO emissions kept a decreasing trend.It was observed that when the top edge of the inner flame propane flame touched Cookware，thermal efficiency reached the highest,and when angle to 0 degrees,15 degrees,30 degrees，thermal efficiency,NOx and CO decreased gradually.

Impingement heat transfer; Propane flame; Energy conservation; Thermal efficiency

2017-03-28

國家自然科學(xué)基金自助項(xiàng)目(51406123)

薛治家(1982-)，男，山東冠縣人，講師，博士研究生。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.03.005

O643.2

： A

： 1673-1603(2017)03-0217-06