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郭瑞琴1，劉圣勇2，劉莉3，楊群發(fā)2，李遂亮2
(1.河南省農(nóng)業(yè)干部學(xué)校，河南鄭州450008；2.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州450002；3.河南紡織高等?？茖W(xué)校，河南鄭州450007)
摘要：根據(jù)生物質(zhì)燃?xì)獾奶匦裕瑢ι镔|(zhì)燃?xì)鉅t具的噴嘴、引射器部件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，研制出了生物質(zhì)燃?xì)鉅t具。經(jīng)試驗(yàn)與檢測證實(shí)，該爐具有運(yùn)行穩(wěn)定，使用安全，熱負(fù)荷大，效率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)，在村鎮(zhèn)有較高的推廣應(yīng)用價值。
生物質(zhì)熱解氣化作為一種主要的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換技術(shù)，近年來得到較大的發(fā)展，各種生物質(zhì)氣化裝置和生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組相繼研制成功，把生物質(zhì)的高品位利用推到了一個較新的高度。同時生物質(zhì)固定床熱解氣化已發(fā)展到村級規(guī)模集中供氣和氣化烘干等領(lǐng)域，而且以追求中熱值為目標(biāo)的流化床和循環(huán)流化床氣化裝置的研究已取得初步成果[1]。雖然氣化技術(shù)有了迅速的發(fā)展，但氣化后得到的生物質(zhì)燃?xì)鈨H僅局限于鍋爐供氣、生產(chǎn)供熱、發(fā)電、茶葉、木材烘干等，而廣大農(nóng)村來說生物質(zhì)燃?xì)庵饕糜诖妒?，目前還沒有一種合理的爐具與之相配套。由于生物質(zhì)燃?xì)饪扇汲煞稚?，熱值低，消耗量大等特點(diǎn)，為保證這種燃?xì)獍踩€(wěn)定著火并充分燃燒，必須配套專門爐具才能使用。為此，作者首次研制出了民用生物質(zhì)燃?xì)鉅t具。該爐具非常適合于生物質(zhì)燃?xì)猓哂腥紵€(wěn)定、使用安全可靠、熱負(fù)荷大、熱效率高、成本低等特點(diǎn)，在我國有較好的推廣應(yīng)用前景。
1設(shè)計(jì)要求及技術(shù)參數(shù)
1.1設(shè)計(jì)要求
為設(shè)計(jì)出比較理想的生物質(zhì)燃?xì)鉅t具，對爐具應(yīng)提出下列要求：
(1)爐具的熱負(fù)荷應(yīng)滿足炊事的要求。爐具在燃燒過程中，熱負(fù)荷過大，則熱效率低，衛(wèi)生條件變壞；熱負(fù)荷過小，勢必使炊事時間延長。我國民用燃?xì)獯毒叩臒嶝?fù)荷應(yīng)在3000W左右為宜[2]。
(2)燃燒穩(wěn)定性好。這是指燃?xì)鈮毫蜔嶂翟谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化時，生物質(zhì)燃?xì)鉅t不應(yīng)發(fā)生脫火、回火及出現(xiàn)黃色火陷。
(3)熱效率高。爐具在額定熱負(fù)荷下的熱效率不應(yīng)低于55%。
(4)衛(wèi)生條件符合國家規(guī)定。生物質(zhì)燃?xì)馊紵龝r，排出的煙氣中COA=1的含量不應(yīng)超過0.1%。
(5)爐具的設(shè)計(jì)壓力不高。一般在設(shè)計(jì)中應(yīng)按貯氣柜燃?xì)獾淖畹蛪毫紤]，否則由于燃?xì)鈮毫Σ蛔慊虿▌?，灶具難以保證設(shè)計(jì)的熱負(fù)荷。
(6)結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，成本低廉，使用安全可靠等。
(1)生物質(zhì)燃?xì)獬煞?%)：CO 20.9，H2 16.1，CH4 2.5，N2 49.7，CO2 9.2，O2 1.6[3]。生物質(zhì)燃?xì)鉄嶂?Qs)為5284.2kJ·Nm-3，重度(r)12.25N·Nm-3，理論空氣量(V0)為5.51Nm3·Nm-3。
(2)爐具熱負(fù)荷(I)為3000W，燃?xì)鉅t前壓力(P)833Pa，該爐具采用大氣式燃燒方式，一次空氣系數(shù)(A)0.9[4]。
2生物質(zhì)燃?xì)鉅t具的設(shè)計(jì)
該爐具主要是由噴嘴、引射器、空氣調(diào)節(jié)板、爐頭、固定座、爐頭連接螺栓等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
噴嘴是爐具的關(guān)鍵部分，必須具備以下功能：①保證噴射一定量的燃?xì)?；②使燃?xì)猱a(chǎn)生噴射作用，引射一定的空氣。為滿足第一功能的要求，必須選擇適當(dāng)大小的噴嘴，噴嘴的計(jì)算是基于氣體動量和氣體流動的基本方程，其直徑(dr)可由(1)式算出，長度(lr)可由(2)式算出，取綜合系數(shù)為10。
把所選參數(shù)代入相應(yīng)公式，設(shè)計(jì)出噴嘴的結(jié)構(gòu)及尺寸(圖2，表1)。
為滿足噴嘴的第二項(xiàng)功能要求，盡可能地將噴嘴安裝在混合管的中心線上。否則，噴射偏離中心線，燃?xì)馍淞髯矒艋旌瞎鼙冢斐蓜恿康膿p失，減少一次空氣的引射量。
對于噴嘴的形狀，必須考慮流量系數(shù)，引射效果及加工制造的難易等因素。加工要達(dá)到一定工藝要求，形狀要規(guī)則，否則將影響功能的實(shí)現(xiàn)。
2.2引射器
影響大氣式燃燒器性能的很多因素中，引射一次空氣及一次空氣與燃?xì)獾幕旌鲜亲钪饕?。這兩項(xiàng)性能全部在引射器內(nèi)完成，引射器的一般形狀為文丘里管(VenturiTube)，但也有整個引射器采用同一內(nèi)徑的。采用文丘里管式引射器，燃?xì)馀c空氣混合較好，燃?xì)庠诹鲃拥倪^程中，渦流少，引射一次空氣的能力強(qiáng)，因此廣泛應(yīng)用于民用燃具方面。影響引射器性能的主要因素有喉管的大小、混合管的長度、一次空氣吸入口的形狀等。
具有一定壓力的生物質(zhì)燃?xì)鈴膰娮靽姵龊笤谝淦鲀?nèi)與空氣充分混合，形成一定壓力和速度的燃?xì)猓拍鼙ＷC燃?xì)庠跔t具中的燃燒。引射器主要有擴(kuò)散管、喉管和收縮管組成。引射器的設(shè)計(jì)是以動量定理、連續(xù)性方程及能量守恒定律為基礎(chǔ)，同時考慮了燃?xì)夂涂諝庠诨旌瞎軆?nèi)所產(chǎn)生的撞擊及摩擦損失，而撞擊損失又屬于完全非彈性體的阻力性質(zhì)。根據(jù)(3)式[5]，可計(jì)算出喉管的直徑(D2)，依據(jù)一定的關(guān)系，可得出引射器的其它尺寸。引射器的各部分結(jié)構(gòu)及尺寸見圖3，表1。
引射器的收縮管處吸入一次空氣的部分，就稱之為引射器的進(jìn)口或引射器的錐形口，這是因?yàn)閺膰娮靽姵龅娜細(xì)饩哂幸欢ǖ哪芰浚瑸槭挂湟淮慰諝鈺r少產(chǎn)生能量的損失，將混合器送入喉管，喉管進(jìn)口即收縮管必須作成錐形而得名。為進(jìn)一步減少能量的損失，喉管入口可做成圓弧形，曲率半徑為喉管直徑的2.0~2.5倍，如圖3所示。同時，噴嘴端部與喉管的距離，對引射一次空氣影響很大。盡管噴嘴設(shè)計(jì)形狀良好，如果與喉管的相對位置安裝不當(dāng)，也不能取得良好的引射效果。反之，通過調(diào)節(jié)其相互間距離，就能增減引射的一次空氣量。當(dāng)D2>d時，噴嘴與喉管的距離L4必須在一定范圍內(nèi)，如圖4所示。
2.3頭部
爐具頭部的作用是使燃?xì)夂涂諝饣旌衔锞鶆虻胤植荚诟鱾€火孔上，以利于完全燃燒。因此設(shè)計(jì)時要充分考慮火孔的形式、大小，孔數(shù)以及排列等因素。這些因素并不單由燃燒器本身所決定，而是根據(jù)不同的用途，受加熱物的大小、形狀及燃燒空間的大小等因素的影響。
(1)頭部出火孔總面積(F0)采用(4)式[6]計(jì)算。
3試驗(yàn)結(jié)果與分析
作者研制的生物質(zhì)燃?xì)鉅t具，在試驗(yàn)室條件下進(jìn)行試驗(yàn)。在其它條件不變的情況下，分別改變噴嘴的安裝位置、引射器的入口形狀、燃?xì)獾牧髁繉t具主要性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2~表4所示。
3.1噴嘴與喉管的距離對爐具性能的影響
從表2可知，當(dāng)噴嘴與喉管的距離L4<34mm時，爐具的各項(xiàng)性能指標(biāo)變差。這是由于噴嘴與喉管距離太近時，噴嘴位置占據(jù)了引射一次空氣的通道，減少了引射一次空氣的通風(fēng)面積，使一次空氣量減少，使點(diǎn)燃工況與燃燒工況變差，因而使?fàn)t具的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)都變低。當(dāng)噴嘴與喉管距離L4>50mm時，爐具的各項(xiàng)性能指標(biāo)也變差，這是由于噴嘴與喉管的距離L4太大，當(dāng)噴嘴噴射燃?xì)鈺r有一定的擴(kuò)散角，擴(kuò)散燃?xì)馀c混合管管壁相碰撞，使燃?xì)猱a(chǎn)生渦流，從而使燃?xì)獾膭幽芙档?，燃?xì)庖淇諝獾哪芰ο陆?，一次空氣量產(chǎn)生不足，從而使?fàn)t具的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)變差。當(dāng)34mm[L4[50mm時，噴嘴的安裝位置合適，噴嘴引射一次空氣的能力較強(qiáng)，同時一次空氣與燃?xì)饽艹浞值幕旌?，為燃?xì)獾狞c(diǎn)火與燃燒提供了有利的條件，爐具的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)較好。
3.2喉管入口形狀對爐具性能的影響
從表3可知，當(dāng)引射器入口為圓管時，爐具的各項(xiàng)性能指標(biāo)較差，這主要是由于在燃?xì)庖淠芰σ欢ǖ臈l件下，進(jìn)風(fēng)面積減小，使燃?xì)馑枰囊淮慰諝饬坎粔?，同時燃?xì)馀c一次空氣的混合也不好所造成的。
當(dāng)引射器入口為圓弧錐形管時，爐具的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到最好，這主要是由于圓弧錐形入口面能保持一定的流線型，使引射一次空氣與圓弧側(cè)壁的摩擦力減小，減少了圓弧側(cè)壁對一次空氣的流動阻力。單位時間內(nèi)，燃?xì)庖氲囊淮慰諝饬吭龆?，因此爐具的各項(xiàng)性能指標(biāo)達(dá)到是佳。當(dāng)引射器入口為直線錐形管時，爐具的各項(xiàng)性能指標(biāo)與圓弧錐形管相差不多，僅次于圓錐形管的狀態(tài)，但考慮到直線錐形管加工的方便性，本爐具的引射器采用直線錐形管入口。
3.3燃?xì)饬髁繉t具性能的影響
從表4可知，當(dāng)燃?xì)獾牧髁康陀谠O(shè)計(jì)要求(607cm3·s-1)時，除點(diǎn)火性能較差，做飯時間增長外，其它性能指標(biāo)較好。當(dāng)燃?xì)饬髁恐魍谠O(shè)計(jì)要求時，燃燒工況變差，爐具的各項(xiàng)性能變差。若考慮到點(diǎn)火性能和做飯時間上，當(dāng)選用設(shè)計(jì)流量或稍低于設(shè)計(jì)流量時(407cm3·s-1[607cm3·s-1)爐具的綜合性較好。
3.4爐具的主要技術(shù)指標(biāo)
作者研制的民用爐具檢測，其主要性能指標(biāo)檢測結(jié)果如表5所示。從表5可知，爐具的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到CJ4-835家用煤氣灶6標(biāo)準(zhǔn)要求。
4效益分析
4.1經(jīng)濟(jì)效益
(1)燃?xì)庑б妗?戶3~5口之家，1個月使用天然氣15~20m3，天燃?xì)鈨r格116元·m-3，月消耗天然氣燃料費(fèi)為24~32元。若用生物質(zhì)燃?xì)猓?個月需100~134m3，生物質(zhì)燃?xì)鈨r格0.15元·m-3，月消耗生物質(zhì)燃?xì)赓M(fèi)為15~20元，1戶1個月可節(jié)省燃料費(fèi)9~12元，1戶1a可節(jié)省燃料費(fèi)為108~144元。與液化氣相比，節(jié)省的就更多。
(2)爐具效益。每臺爐具總成本(帶有電子打火)為85元，市場售價可達(dá)150元，則每臺爐具純利潤65元，年產(chǎn)1萬臺爐具的廠家可獲純利潤為65萬元。
4.2社會效益
民用生物質(zhì)燃?xì)鉅t具的研制為生物質(zhì)能集中供氣的廣大居民提供了配套的專門爐具，提高了他們生活舒適的文明程度，節(jié)約了炊事時間與勞動量，使環(huán)境和庭院衛(wèi)生有了明顯改善；同時該爐具的研制擴(kuò)寬了生物質(zhì)燃?xì)馐褂玫姆秶?，從而推動了生物質(zhì)能集中供氣的推廣與應(yīng)用，更有效地提高秸稈的利用率，減少了秸稈直接燃用和燃燒給環(huán)境造成的污染，適合現(xiàn)代化社會的需要。
5結(jié)語
1)本爐具在給定設(shè)計(jì)參數(shù)下點(diǎn)火率、熱負(fù)荷、熱效率、燃燒工況、氣密性、環(huán)保指標(biāo)均能達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。說明了設(shè)計(jì)方法的科學(xué)性與正確性。
2)該爐具與其它爐具相比具有運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便、使用安全、熱負(fù)荷大、熱效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，適合農(nóng)民使用，同時提高了農(nóng)民的衛(wèi)生、文明條件，在我國村鎮(zhèn)有較好的推廣應(yīng)用前景。
3)該爐具的研制為生物質(zhì)集中供氣提供了配套的新型爐具，推動了生物質(zhì)集中供氣的可持續(xù)發(fā)展與應(yīng)用，為生物質(zhì)秸稈的合理利用與有效利用尋找了一條新途徑，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。
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