燃烧热教学范文

燃烧热教学范文（精选8篇）

燃烧热教学 第1篇

关键词：化学教学,燃烧热教学,实施

在化学应用和研究中, 化学反应伴随着热量的转移, 这是化学反应的根本原因。也是能量守恒定律在化学中的体现。而燃烧热是化学反应中基本的概念之一, 其标准的定义为:燃烧热 (Δc H0) 是指物质与氧气进行完全燃烧反应时放出的热量。通常指单位物质的量的燃料生产稳定物质所放出的热量。基础概念的地位决定燃烧热是化学教学中的重点, 同时, 因为因化学反应的复杂性和燃烧热概念本身的限制, 燃烧热也成为教学中的难点。因为中专教学目标的特殊性, 研究中专化学教学中燃烧热教学实施是具备一定意义的。

一、中专化学教学中燃烧热教学的现状

1、中专化学教学中燃烧热教学中可取之处

纵观中专基础化学教材, 其中有关燃烧热的内容都很完整。教师的教学目标和教学大纲中也都将这个知识点作为重点和难点加以对待, 将这个知识点作为重要的教学目标。教师在实施教学中也不吝惜教学课时, 尽量让学生理解和掌握其该知识点。在后续的考核中, 该知识点的考核也是重点中的重点, 历年被教师看重。这些方面都是中专化学有关燃烧热教学多年积累下的宝贵经验, 值得学习和继承。

2、中专化学教学中燃烧热教学的不足

(1) 直接传授概念, 学生理解有难度

现行教材和教案基本上, 基本上还是按照先将概念而后将应用这个思路。然而, 尽管燃烧热的概念是基础概念之一, 不过, 它的出现是在一系列概念基础上延伸出来的。当前, 直接讲述其概念或者没有联系前面概念讲述其概念的做法起到的效果都不太好, 从学生在对燃烧热应用教学以及后续更多应用中的表现中能充分说明这个问题。

(2) 缺乏充分结合中专教学的性质延伸燃烧热教学意义的做法

中专院校的培养目标和高中、大学的培养目标不同, 在中专教学中, 燃烧热教学的基础地位被弱化, 在高中、大学中, 燃烧热的教学是后续学习的基础, 需要将相关内容讲成为体系。中专教学中不是, 起码不全是。这样以来中专化学教学中燃烧热教学就应该延伸到环境保护、节约能源方面来, 这点也应该成为教学的必须照顾的地方。当然, 中专院校普遍缺乏充分结合中专教学的性质延伸燃烧热教学意义的做法。

二、中专化学教学中燃烧热教学的实施

1、相关概念的介绍

燃烧热的教学要涉及燃烧反应和标准燃烧反应的概念。需要首先介绍燃烧反应和标准燃烧反应的概念。在一定温度和压强下, lmol某物质与氧气 (02) 发生完全燃烧反应生成稳定物质的反应叫该物质的燃烧反应。标准状态 (101.3k Pa, 某温度) 下进行的燃烧反应叫标准燃烧反应这两概念的学习应该在燃烧热学习之前掌握, 在传授燃烧热的知识点前要再次温习这个概念。

2、中专化学教学中燃烧热教学的实施过程

(1) 燃烧热内容教学

首先给出燃烧热的定义:在25℃, 101 k Pa时, 1 mol物质完全燃烧生成稳定的氧化物时所放出的热量, 叫做该物质的燃烧热。这也是标准燃烧热。在理解物质燃烧热的定义时, 要注意以下几点:

①研究条件:25℃, 101 k Pa

②反应程度:完全燃烧, 产物是稳定的氧化物。

③燃烧物的物质的量:1 mol

④研究内容:放出的热量。 (ΔH<0, 单位k J/mol)

⑤在未有特别说明的情况下, 外界压强一般指25℃, 101k Pa, 所谓完全燃烧也是完全氧化, 它是指物质中的下列元素完全转变成对应的稳定物。如:C→CO2 (g) 、H→H2O (l) 、S→SO2 (g)

其次, 和学生讨论上面几个注意点, 举例说明:

让学生回答那个是H2燃烧热, 为什么别的不是, 原因在哪里?

再次举例, 该例子要涉及相关数量的转化。

例1 在101 k Pa时, 1 mol CH4完全燃烧生成CO2和液态H2O, 放出890.3 k J的热量, CH4的燃烧热为多少? 1000 L CH4 (标准状况) 燃烧后所产生的热量为多少? 1000l CH4是多少mol, 计算得知1000 L CH4 (标准状况) 完全燃烧产生的热量为3.97×104k J。这里要强调完全燃烧。

(2) 燃烧热的应用

考虑到中专教学目标, 燃烧热的应用应该更多讲述燃烧热的查找和组合计算。燃烧热的数字是能通过相关手册查查找到。而根据盖斯定律的引进, 可以给出一个简单公式:化学反应的标准恒压热效应等于反应物的标准燃烧热之和减去产物标准燃烧热之和, 这就意味着能了解化学反应中热效应。

这个教学中, 可以充分发挥学生的主动参与性, 让学生自行查找相关反应式, 结合手册数值, 计算出反应热, 并挑选几组典型的例子作为讲解对象。

(3) 能源节约意识的讲解

燃烧热的定义中一直强调充分燃烧, 可以又这个点引进解决能源的讲解。能提供能量的自然资源, 包括化石燃料 (煤、石油、天然气) 、阳光、风力、流水、潮汐以及柴草等都是我们能源。可是这些燃料真的被充分燃烧了吗?不充分燃烧是否浪费能源。

这个阶段, 可以让学生自由发言, 充分参与。教师只需要把控燃料充分燃烧的条件是什么、燃料燃烧时, 若空气过量或不足, 会造成什么后果、为什么固体燃料要粉碎后使用等几个方向就可以。同时, 给学生提出如何科学地控制燃烧反应、如何使燃料充分燃烧、如何提高能源的利用率等思考题。

总之:中专化学教学中燃烧热教学有可取之处, 我们应该在吸取可取之处的基础上, 充分理解中专培养目标的特殊性, 更加有目的的实施教学。

参考文献

[1]庄宏鑫.物理化学 (第二版) [M].北京:化学工业出版社, 1985:78-80.

[2]杨喜平, 张玉军, 闫向阳, 等[J].时代教育, 2010.16 (3) .

2燃烧热实验报告 第2篇

学生姓名 学 号 专 业 化学(师范)年级、班级 课程名称 物理化学实验 日

实验指导老师 蔡跃鹏 实验评分

【实验目的】

①明确燃烧热的定义，了解恒压燃烧热与恒容燃烧热的差别与联系。②掌握量热技术的基本原理；学会测定奈的燃烧热。③了解氧弹卡计主要部件的作用，掌握氧弹卡计的实验技术。④学会雷诺图解法校正温度改变值。【实验原理】

物质的标准摩尔燃烧热(焓)△cHmθ是指1mol物质在标准压力下完全燃烧所放出的热量。在恒容条件下测得的1mol物质的燃烧热称为恒容摩尔燃烧热QV,m，数值上等于这个燃烧反应过程的热力学能的变化△rUm；恒压条件下测得的1mol物质的燃烧热称为恒压摩尔燃烧热Qp,m，数值上等于这个燃烧反应过程的摩尔焓变△rHm，化学反应热效应通常是用恒压热效应△rHm来表示。若参加燃烧反应的是标准压力下的1mol物质，则恒压热效应△rHmθ即为该有机物的标准摩尔燃烧热△cHmθ。

若把参加反应的气体与生成的气体作为理想气体处理，则存在下列关系式。

Qp,m=QV,m+(∑VB)RT

(3-4)式中，∑VB为生成物中气体物质的计量系数减去反应物中气体物质的计量系数；R为气体常数；T为反应的绝对温度；Qp,m与QV,m的量纲为J/mol。

本实验所用测量仪器为氧弹量热计(也称氧弹卡计)，按照结构及其与环境之间的关系，氧弹量热计通常分为绝热式和外槽恒温式，本实验所用为外槽恒温式量热计。

氧弹为高度抛光的刚性容器，耐高压、耐高温、耐腐蚀，密封性好，是典型的恒容容器。测定粉末样品时需压成片状，一面充氧时冲散样品或燃烧时飞散开来。

量热反应测量的基本原理是能量守恒定律。在盛有定量水的容器中，样品的物质的量为nmol，放入密闭氧弹，充氧，然后使样品完全燃烧，放出的热量传给水及仪器各部件，引起温度上升。设系统(包括内水桶、氧弹本身、测温器件、搅拌器和水)的总热容为C(通常称为仪器的水当量，及量热计及水每升高1K所需吸收的热量)，假设系统与环境之间没有热交换，燃烧前、后的温度分别为T1、T2，则此样品的恒容摩尔燃烧热为

QV，m=式中，QV,m为样品的恒容摩尔燃烧热，J/mol；n为样品的物质的量，mol；C为仪器的总热容，J/K或J/℃。式(3-5)是最理想、最简单的情况。但是，由于一方面氧弹量热计不可能完全绝热，热漏在所难免，因此，燃烧前后温度的变化不能直接用测到的燃烧前后的温度差来计算，必须经过合理的雷诺校正才能得到准确的温差变化[需由温度-时间曲线(即雷诺曲线)确定初温和最高温度]；另一方面，多数物质不能自然，如本实验所用萘，必须借助电流引燃点火丝，再引起萘的燃烧，因此，式(3-5)左边必须把点火丝燃烧所放热量考虑进去，如式(3-6)：

-nQV,m-m点火丝Q点火丝=C△T

(3-6)

式中，m点火丝为点火丝的质量；Q点火丝为点火丝的燃烧热，点火丝(铁丝)燃烧热为-6694.4J/g；△T为校正后的温度升高值。

仪器热容C的求法是用已知燃烧焓的物质（如本实验用的苯甲酸），放在量热计中燃烧，测其始、末温度，经雷诺校正后，按式(3-6)即可求出C。

样品完全燃烧是实验成功的第一关键，为此氧弹充以1.0~1.5Mpa的高压氧，因此要求氧弹密封耐压、耐腐蚀。同时，为燃烧完全，避免充氧时样品散开，粉末状样品必须压成片状。第二关键是使燃烧后放出的热量尽可能全部传递给卡计本身和其中盛装的水，而几乎不与周围环境发生热交换。为了减少卡计与环境的热交换，卡计放在一个水恒温的套壳中，故称外壳恒温卡计。另外卡计壁高度抛光也是为了减少辐射。

虽然采取了多种措施，但热漏还是无法完全避免，因此，燃烧前后温度的变化值还是不能直接精确测出来，必须经过雷诺作图法或计算法校正。本实验用精密数字式贝克曼温度计来测量温度差。【仪器和试剂】

外槽恒温式氧弹卡计（1个），氧气钢瓶（1瓶），压片机（2台），数字式贝克曼温度计（1台），0~100℃温度计（1支），万用电表（1个），扳手（1把）；萘（A.R），苯甲酸（A.R），点火丝（铁丝）（约10cm长）。【实验步骤】

(1)测定氧弹卡计和水的总热容C ①样品压片

压片前，线检查压片用模子，若发现压模有铁锈、油污和尘土等，必须擦净后才能进行压片。用台秤称取约0.8g左右的苯甲酸，压好样品，再用分析天平分别准确称取一段10cm长得点火丝和棉线，再用棉线将点火丝绑在样品（不能有粉末）上，然后在分析天平上准确称重。

②装置氧弹、充氧气

将绑好点火丝的苯甲酸样品放在氧弹卡计的燃烧皿中，压片应尽量进入燃烧皿（切忌把压片悬挂于燃烧皿上方），将点火丝的两端分别嵌入绑紧在氧弹中的两根电极上，旋紧氧弹盖，用万能电表检查电机是否通路。

连接好氧气瓶和氧气减压阀表，并用铜导管（高压管）将减压表与氧弹进气管相连接，打开氧气瓶上端阀门，此时减压阀表中指针旋转所指示的压力即为氧气瓶中氧气总压力，然后略微旋紧减压阀（即打开），使减压表上另一表盘的指针压力读数约为10kg/cm1MPa。随即放松（即关闭）减压阀。按动充氧装置的手柄，使充氧仪上压力表的指针为10MPa，保持数秒，此时氧弹已充有约10Mpa

【实验评注与拓展】

本实验成功的关键：

①保证样品完全燃烧，是实验成功的关键之一，为此，样品压片须力度适中； ②氧弹点火要迅速而果断，点火丝与电极要接触良好，防止松动； ③实验结束后，一定要把未燃烧的铁丝重量从公式中减掉；

④在测定过程中，应该避免卡计周围的温度大幅度波动。量热法是物理化学中一个重要的实验技术，主要用来测定反应的热效应（包括燃烧热、物质生成热、中和热、反应热等）、相变热和热容等。它能定性检测放热或吸热过程的存在，定量测定这些过程的进行程度；用来研究物质的平衡性质；通过热化学数据研究某些有机物的结构等，这些数据对于热力学和热化学的计算是很重要的。

例如：有些化合物如蔗糖等，不能从稳定的单质直接合成，其生成焓也就无法通过实验直接测定，只能依靠间接方法进行测定。对于有些容易在氧气中燃烧的物质（如大多数的有机物），则可以测定其燃烧热。在燃烧产物生成焓都已知的情况下，利用盖斯定律可求得该化合物的生成焓。

另外，本实验所用氧弹卡计，除可以测定固体物质的燃烧热外，也可以测定液体物质的燃烧热；不仅限于物质在氧中的燃烧，也可充以其他气体，如充氯气研究物质氯化反应的热效应。【提问与思考】

①什么是燃烧热？它在化学计算中有何应用？

答：燃烧热是指在一定压力、温度下，某物质完全氧化成相同温度的指定产物时的焓变。在化学计算中，它可以用来求算化学反应的焓变以及生成焓。

②测量燃烧热两个关键要求是什么？如何保证达到这两个要求？

答：A.样品完全燃烧，所以样品的量不能太多，压片不能太紧也不能太松。

B.量热计完全绝热，事实上不可能实现，因此需要经过合雷诺校正得到准确的温差变化。③实验测量到的温度差值为何要经过雷诺作图法校正，还有哪些误差来源会影响测量的结果？ 答：因为要保证实验的准确性须保证量热计完全绝热，但这是不可能的，系统和环境间或多或少会存在热交换，因此燃烧前后温度的变化不能直接用测到的燃烧前后的温度差来计算，必须经过合理的雷诺校正才能得到准确的温差变化。其他误差来源：样品是否充分燃烧。

④在本实验中，哪些是系统？哪些是环境？系统和环境间有无热交换？这些热交换对实验结果有何影响？如何校正？

答：盛水桶内部物质及空间为系统，除盛水桶内部物质及空间的热量计其余部分为环境，系统和环境之间有热交换，热交换的存在会影响燃烧热测定的准确值，可通过雷诺校正曲线校正来减小其影响。

⑤ 固体样品为什么要压成片状？萘和苯甲酸的用量是如何确定的？

答：压成片状有利于样品充分燃烧；萘和苯甲酸的用量太少测定误差较大，量太多不能充分燃烧，可根据氧弹的体积和内部氧的压力确定来样品的最大用量。

燃烧热测定实验的改进 第3篇

在传统的燃烧热测定实验中, 萘一直被用作被测物质。该实验是在氧弹量热计中测定萘的恒容燃烧热, 萘完全燃烧的反应热。

被测样品萘是一种易挥发、易升华的物质, 很容易扩散到大气中污染环境, 对人体的健康造成危害。反复接触萘蒸气, 可引起头痛、乏力、恶心、呕吐和血液系统损害。可引起白内障、视神经炎和视网膜病变。皮肤接触可引起皮炎[1]。虽然在每次实验中萘的用量只有0.6g, 但是学生人数多, 萘的总用量也不少。在实验过程中, 学生用台秤称量萘, 然后将其压片, 再用分析天平精确称量, 直到放入氧弹前的这些操作过程, 萘一直都是暴露在空气中的, 肯定会有部分挥发、升华进入大气和被人吸入。如果学生压片不好, 萘燃烧不完全, 在高温氧弹中萘更易升华, 且重复实验又增加了萘的用量, 污染严重。年复一年的实验, 就形成了一个稳定的污染源。

出于对环保的考虑有必要选取一种对环境和人体无害且能作为新能源的物质来代替萘。而制造乙醇的原料是可再生物质, 用乙醇代替汽油是应对能源危机的一种有效措施。因此, 在常见物质中, 乙醇就自然成了首选。其燃烧反应为:

乙醇是液体, 其流动性强, 不能采用压片的方法, 为了克服此种困难, 本实验采用了胶囊装取乙醇的方法, 样品安装如图1所示[2]。我们引导学生去思考且提出更多的关于液体燃烧热测定方法, 启发学生思维。

乙醇在101325Pa, 25℃时的燃烧热是1366.7kJ/mol。该条件下萘的燃烧热为5153.9kJ/mol。乙醇的用量可以通过相对于萘的用量来确定。原实验中萘的用量为0.6g左右, 萘的摩尔质量为128g/mol[3]。因此0.6g萘的燃烧时的热量计算值为:

因此获得24.16k J燃烧热量需要乙醇的量可计算如下:

我们在实验中, 乙醇的用量为0.8g左右。学生实验中用乙醇代替萘, 点火成功率高, 效果很好。

节约能源的一个重要措施是科学的控制燃烧过程, 使燃料充分燃烧, 提高燃料的利用率, 因此研究燃料充分燃烧是十分重要的。燃烧热是指1mol纯物质在25℃, 101kPa时, 完全燃烧生成稳定的化合物时所放出的热量。即指的是物质完全燃烧。为了增强学生对燃烧热定义的掌握并能树立节能意识。在实验中, 我们测定了在不同氧压下 (4, 6, 8, 10, 12和14个大气压) 乙醇燃烧放出的热量。实验结果显示, 随着氧压得增大燃烧热量增大, 当达到12个氧压时, 物质完全燃烧, 热量不再随着氧压增大而变化, 根据此时放出的热量即可计算出乙醇的燃烧热。同时让学生比较完全燃烧与不完全燃烧时放出热量, 增加他们对提高能源利用率的意识。

摘要：在燃烧热测定实验中, 固体萘一直作为被测物质, 但是萘对环境污染较严重且对人体健康存在较大危害, 因此采用药用胶囊装取液体乙醇作为被测物, 实验效果很好, 实验成功率很高。测试不同氧压下乙醇燃烧的热值, 有利于学生对燃烧热概念的掌握, 树立学生节能意识。

关键词：燃烧热,乙醇,氧压

参考文献

[1]柴静雯, 陈玉浩, 孙文监等.JOURNAL OF HYGIENERESEARCH, 1994, 23 (2) :113-115.

[2]何玉萼.物理化学实验[M].四川:四川大学出版社, 1993.36-43.

燃热煤气燃烧器的改造 第4篇

一、存在问题

目前使用的热煤气是热脏煤气, 没有经过净化处理直接供给注汽炉燃烧, 因为热脏煤气中含有一定量的煤焦油和煤粉, 该部分参与了燃烧, 提高了煤气热值, 另外热煤气从煤气炉直接供给注汽炉, 煤气温度有300～400℃, 这部分物理热提高了炉膛温度。但这部分焦油和煤粉容易堵塞管道和燃烧器, 增加了清理的工作量, 特别是堵塞燃烧器, 大约运行5～10天就要停炉清理一次, 每次停炉需要6～10h, 影响正常注汽生产。所以解决燃烧器频繁堵塞问题, 以及在整个燃烧过程中, 选择最佳热煤气的流向、配风量和配风流速是推广使用燃油炉改烧热煤气项目的关键。

二、改造内容

1. 燃烧器助燃风通道改造

将燃烧器助燃风通道改造成收口式, 这样可以在压力保持不变条件下加大配风的速度。经计算, 进风口面积为150798.5mm2, 出风口面积为101736mm2, 出口风速可提高32.5%。

2. 燃烧器结构改进设计 (图1)

设计中考虑到有利于煤气和助燃风 (空气, 含氧) 的充分混合和燃烧效率的提高, 除了助燃风通道改造成收口式, 并在煤气和助燃风通道出口处增设导向旋转叶片, 导向旋转叶片的角度为15°最理想。导向旋转叶片材料为耐火高温钢材。

根据热煤气的特点, 煤气通道只设4个导向板, 导向板的角度不大于15°, 煤气在通过燃烧器时, 阻力小, 气流通畅, 大大提高了燃气炉的工作效率, 燃烧器可连续运作3～5个月不用清理。

该种结构能够使煤气和助燃空气在燃烧器内或喷口处就完成比例预混, 然后通过缩口烧嘴喷入炉内燃烧, 空气过剩系数小 (通常为1.03～1.05) , 火焰强度高, 能提高注气炉产气量, 易点火, 调节比小。

3. 现场应用及效果

改造后的燃烧器在曙光采油厂曙60#站60#炉现场应用结果表明, 燃烧火焰从过去的1.5～2.5m提高到了3.5～4m, 火焰形状呈柱状, 改善了火焰发散的状况, 避免了燎炉管及煤焦油堵塞燃烧器喷嘴事故的发生。在生产温度和汽量相同的情况下, 节省用量煤气5%左右, 烟气排放指标降低3%。解决了燃烧器结构和配风不合理对生产造成的不良影响, 提高了锅炉的热效率, 降低能源消耗, 减小环境污染。

摘要：针对燃热煤气燃烧器存在的结构、配风不合理问题, 改造燃烧器结构和助燃风通道, 提高锅炉的热效率, 达到节能降耗、保护环境的目的。

燃烧室热-声-结构耦合数值研究 第5篇

关键词：燃烧室,数值模拟,网格质量,湍流模型,双向耦合

航空发动机燃烧室多种载荷间的交变作用是影响燃烧室工作稳定性及疲劳寿命的重要因素。目前研究耦合现象的主要手段为仿真与试验,但限于技术条件、成本与周期等,大多研究侧重于数值仿真。刘顺隆,等针对燃气轮机燃烧室进行了三维湍流反应流的数值模拟研究,分析了不同流体的浓度分布并得到了通用模拟程序[1]。伍贻兆等分别针对气态和液态燃烧流场进行了基于非结构 /混合网格的燃烧数值模拟研究,发展了一种快速评估一维流的分析方法[2]。K. D. Artur等进行了预混燃烧下的热声不稳定性分析,研究了温度场与声压力场的相互影响关系[3—5]。刘振侠等采用热-流耦合方法进行了流场与固壁换热的耦合计算,得到了三维燃烧室壁温分布情况[6]。王建军等基于ANSYS /CFX程序平台开展了火焰筒壁温三维数值模拟研究,同时考虑了燃烧 热源、热辐射 与流场变 化对换热 的影响[7]。S. Mina等开展了基于预混燃烧器的热声不稳定性试 验,研究了燃 烧室内的 温度与压 力关系[8,9]。H. Rob等应用试验方法研究了燃烧室内的声弹特性,并较好地 预测了燃 烧室内的 声振水平[10]。艾延廷等开展了基于燃烧室模型的声固耦合有限元分析,对比研究了耦合与非耦合状态下的结构振动特性[11,12],B. W. K. Jim等应用有限元软件初步研究了双向耦合数值模拟方法[13]。曾和义,等研究了网格质量对数值模拟的影响,并进行了算例分析[14]。郭雪岩,等研究了湍流模型对燃烧流场模拟的影响,总结得到湍流模型对速度和涡结构影响较大[15]。

目前,国内外学者们已对耦合现象进行了大量数值研究,但多偏重于两者且采用单向耦合的方式, 很少有涉及三者以上多物理场的双向耦合数值模拟研究。应用有限元软件进行了燃烧室多物理场单双向耦合数值研究,并讨论了几个主要因素对模拟产生的影响,通过与试验数据的对比分析研究了燃烧室热-声-结构耦合作用机理及作用特性。

1 多场耦合理论

燃烧是一个复杂不稳定的变化过程。借助质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律与气体状态方程等公式建立了燃烧室多物理场耦合理论[3]。

首先,根据Lighthill方程和波动理论得到了湍流发声速度八次方定律

式( 1) 中W为总声功率,D为喷流直径,U为喷流速度,c0为常压和密度下的声速,K为Lighthill常数。此方程表示湍流噪声辐射声功率与流动特征速度的八次方成正比。

其次,根据流体动力学方程和线形声学参数推得了燃烧室气体三维不定常波动方程

式( 2) 中ρ为密度,p为压力,c为空气中声速,u为质点速度,γ为比热比,k为波数,A为表面积,F为力矢量,Q为强度; 等式左边为气体自由波动项,右边为气体激励、阻滞、衰减与耗散等源项。此方程表示了燃烧室内气体不定常波动关系。

最后,根据泰勒级数、热力学基本关系式和声学波动、流体动力学等相关理论推导得到燃烧室内燃烧过程的非线性波动方程:

式( 3) 中a为源尺寸,ρ为气体密度,ρ0为空气密度,c0为常压和密度下的声速,u为质点速度,p为压力,k为波数,γ为比热比,F为力矢量,Cv为机械阻抗,σ为辐射比,t为时间; B /A是非线性声学中衡量声波在媒质中传播时产生非线性效应大小的物理量,对于理想气体: B /A = γ - 1 ,对于空气: B / A = 0. 4。

将前面的波动方程和燃烧声场相关公式结合起来得到定量描述燃烧室内燃烧过程热-声不稳定性的锐利关系式[4]。

式( 4) 中p为声压力,q为放热量,Ω为燃烧室空间区域。此式表示: 对整个燃烧室积分,若结果大于零则燃烧不稳定,积分大小表示不稳定程度。

2 影响因素讨论

基于实际的燃烧室试验装置建立了数值模型, 装置整体结构如图1( a) 所示,它主要分为燃烧部分、结构部分和水冷却部分。燃烧过程中采用部分预混,为了稳定火焰在混合物入口与燃烧室结合处使用了楔体结构[5],它也在热-声不稳定机制的形成中起到了重要作用。同时,考虑运行时间与计算精度等因素,模型也被部分简化,其各主要尺寸参数如表1所示。

试验中采用的部分测量设备如图1( b) 所示。这是XCS—190( M) 型号Kulite传感器,操作温度为 - 55 ~ 175℃ ,最大稳态激励为10 000g,最大线性振动为10 ~ 2 000 Hz,进口压力范围为0. 7 BAR/10 PSI,FSO为150 m V ( Nom. ) ,出口垂直加速度灵敏度为1. 0×10- 3Hz / g; 试验过程中将其沿结构壁面分别布置在八个测量点上用于测量燃烧室内声压力。

2. 1 网格质量

数值研究中常采用的网格类型主要分为结构化网格与非结构化网格,如图2所示。数值离散过程很大程度上依赖于网格质量,结构化网格允许使用较少的网格单元,然而非结构化网格具有更高的数值耗散率,对复杂几何模型流动更有利[8]。综合以上因素并与试验对比显示,结构化网格具有更好的模拟效果且需要更少的计算量。

表2中给出了四种不同的网格设置方式: 1与2选取相同的网格尺寸,1与3选取相近的网格节点数,1与4选取相近的网格单元数。通过数据对比可得: 相同尺寸下,非结构化网格比结构化网格产生更多的节点和单元; 在相同类型下,节点数和单元数随着网格尺度的增大而减少,而节点数对计算时间和精度的具有重要影响。

图3显示了计算时间和计算效率随网格节点数的变化趋势。从图中可看出: 随着网格节点数的增多,计算时间增加,计算效率提高、结果更加精确; 然而当节点数超过一定数量后,计算时间仍增加,但计算效率基本不变。

2. 2 湍流模型

分别选取k - ε、SST、SAS和LES四种湍流模型进行燃烧数值模拟,分析不同湍流模型对模拟结果准确性的影响,结果如图4所示。

从图4中看出: 不同模型下,燃烧室内的温度和速度场显示出一定区别; 而与试验数据的对比显示, SST模型下各参数模拟结果与实际吻合程度较好。同时又可得出: 燃烧室温度场分布对其它参数影响较大,这是由于热释放率与流速变化影响反应速率, 而速度场又对声压力场变化具有重要影响; 同时火焰中心及入口近壁面附近存在再循环区域[10],新鲜燃气在完全燃烧前渗入并产生热释放波动增强耦合作用。

图5显示了四种模型下的中心线密度分布。从图中可看出: 在燃烧室进口附近密度较高、压力较大,并逐渐向出口方向呈发散趋势。这种趋势不仅受进口流速影响,同时也与燃烧过程中能量释放有关,随着化学能产生的热能逐渐转化为动能和声能, 气体密度逐渐降低、气压也逐渐减小。

2. 3 流体速度

不同进气速度会对耦合结果产生重要影响。选取多组空气和燃料进气速度进行对比,得到如表3所示模拟结果。油气比公式如式( 5) 。

式( 5) 中,ф0为油气比,yf,0为燃油质量流量,ya,0为空气质量 流量,st表示理想 状态下的 化学计量比[11]。

从表3可看出: 燃烧室流场最高温度、结构壁面最高温度和结构振动频率均随空气进气速度而变化。在速度为10 m/s时,结构最高温度最大而振动频率最小; 在速度为15 m/s时,流场最高温度达到最小值而振动频率最大; 当速度超过20 m/s后,若继续增大进气速度,温度和频率变化均不大、降温效果已不明显。

2. 4 材料属性

燃烧室内部为高温、高压环境,许多材料参数都与其热力状态有着直接关系。表4给出了标准状态下试验中所用的燃烧室结构材料参数。

通过查找《航空材料手册》得到相关数据,经过曲线拟合得到多项式( 6) ~ 式( 8) 与曲线图6。从图6中可看出: 材料的导热率在一定温度范围内逐渐增强; 比热容在低温区增强较快,但在 ( 100 ~ 700) K之间时增强减缓,当超过700 K后迅速减弱; 弹性模量随着温度的升高逐渐减小,在超过500 K后减小很快。考虑材料的实际特性,数值模拟中采用了变材料参数设置。

式中,λs为导热率,Cs为比热容,Es为弹性模量,T为热力学温度。

3 数值模拟研究

分别采用单向和双向耦合方式进行燃烧室多场耦合数值模拟研究。

3. 1 单向耦合过程

采用热声-结构耦合方式进行单向耦合研究: 首先,进行燃烧室内部流体燃烧数值模拟,得到热声耦合场; 接着,将燃烧所得温度、压力等结果以载荷形式导入壁面结构,建立起单向耦合机制; 最后,通过稳态热分析、静态结构分析、预应力模态分析、谐响应分析和谱分析等多种分析过程,计算得到了燃烧室热-声-结构结果并讨论了其结构动力特性。向壁面导入温度和压力的过程如图7所示。

3. 2 双向耦合过程

双向耦合能够实现热、流和固( 结构振动) 的依次交叉迭代计算,每一步求解过程均同时考虑了热量、声压力和结构振动三者之间的双向作用效果。目前可以实现双向耦合模拟的方式主要有两种,现采用Fluent与Transient Structural相结合的耦合方式,用System Coupling实现耦合连接与计算分析,并采用动网格设置,耦合过程的迭代曲线如图8所示。从图8可看出: 耦合中每迭代一步都将流体计算结果传给结构,经结构求解后再把数据返回流体,从而保证了计算过程更加接近实际效果。

3. 3 结果分析与讨论

通过燃烧室热-声-结构单-双向耦合数值模拟研究,得到了多物理场耦合状态下的燃烧室内部温度、声压力、速度、密度等流场和频率、振型、应力、应变等结构振动结果。表5显示了数值模拟和验证试验中分别得到的前十阶耦合模态频率值,图9显示了耦合前与耦合后的结构前五阶振型对比图,图10显示了耦合前与耦合后的响应谱对比分析图。通过进一步分析得出: 燃烧室热-声-结构耦合过程中,耦合作用产生的根源为燃烧不稳定性; 温度分布对速度、声压力及密度等其它流场的变化具有较大影响; 燃烧室内部热载荷对结构振动影响较大,而声压力载荷对结构振动影响较小; 在频率为275 Hz和385 Hz附近时耦合对振动影响较强。

4 结论

进行了燃烧室热-声-结构耦合数值研究。通过多物理场单-双向耦合数值模拟与试验数据的对比分析,得到如下结论:

( 1) 在燃烧室热-声-结构耦合数值模拟过程中,网格质量对计算时间和准确性影响较大,湍流模型主要影响温度、压力与速度等流场计算结果的合理性,流体速度对流场温度和结构振动频率等具有重要影响;

( 2) 燃烧室结构材料属性随温度和压力而变化,为了提高计算准确性宜采用变材料参数设置;

( 3) 燃烧室热-声-结构耦合作用产生的根源为燃烧不稳定性。耦合机制中,热载荷对结构振动影响较大,而声压力载荷对结构振动影响较小。在频率为275 Hz和385 Hz附近时耦合作用对结构振动影响较强;

燃烧热教学 第6篇

在各类特种设备中, 工业锅炉是生产、生活中最常见的耗能设备, 消耗的原煤约占全国原煤产量的三分之一。开展锅炉能效测试, 推动企业提高节能减排成效, 是实现可持续发展的重要途径。

1 固体未完全燃烧热损失的常规测试方法

锅炉热效率测试方法一般有两种, 即正平衡法和反平衡法。正平衡法只能测试热效率和出力, 一般不单独采用。反平衡法较复杂, 但可以研究和分析影响热效率的种种原因, 从而找到提高锅炉热效率的途径。锅炉热效率测试工作, 目前仅局限于节能监测部门、科研院所和部分锅炉制造厂, 采用现场数据测试和实验室分析以及热力计算, 目的在于对锅炉产品的性能鉴定或锅炉用户的能耗测试, 多侧重于新设计制造和容量较大的锅炉, 需在现场采集原煤、灰渣、飞灰并送至实验室进行化验, 现场还要测量很多数据, 并需要使用单位做很多配合工作, 测试成本较高, 不适用于检验机构的现场检测。

锅炉反平衡用来测定锅炉的各项热损失, 涉及面比较广, 与燃料分析、烟气分析、飞灰和炉渣化验等有密切关系, 但比较复杂。可用下式计算:

式中:2——锅炉反平衡热效率, %;

q2——排烟热损失热量占输入热量百分比, %;

q3——气体不完全燃烧损失热量占输入热量百分比, %;

q4——固体不完全燃烧损失热量占输入热量百分比, %;

q5——锅炉散热损失热量占输入热量百分比, %;

q6——灰渣物理热损失热量占输入热量百分比, %。

其中固体未完全燃烧热损失一般是工业锅炉各项热损失中的最大值, 它由炉渣、漏煤、烟道灰和飞灰四部分组成。其计算公式为:

其中,

式中:

Wlz——炉渣淋水后的含水量, %;

Gslz——湿炉渣质量, kg/h;

Glz——炉渣质量, kg/h;

Glm——漏煤质量, kg/h;

Gyh——烟灰道质量, kg/h;

clz——炉渣可燃物含量, %;

clm——漏煤可燃物含量, %;

cyh——烟灰道可燃物含量, %;

cfh——飞灰可燃物含量, %;

αlz——炉渣中含灰量占燃煤总灰量份额;

——漏煤中含灰量占燃煤总灰量份额;

——烟灰道中含灰量占燃煤总灰量份额;

——飞灰中含灰量占燃煤总灰量份额。

由以上公式可知, 测定固体未完全燃烧热损失, 在煤的工业分析的基础上, 还需测量炉渣淋水后的含水量、湿炉渣质量、漏煤质量、烟灰道质量、炉渣可燃物含量、漏煤可燃物含量、烟灰道可燃物含量、飞灰可燃物含量, 并需要用灰平衡法测定炉渣中含灰量占燃煤总灰量份额、漏煤中含灰量占燃煤总灰量份额、烟灰道中含灰量占燃煤总灰量份额、飞灰中含灰量占燃煤总灰量份额。

2 固体未完全燃烧热损失的快速测试原理

固体不完全燃烧热损失q4的影响因素有燃料特性、燃烧方式、炉膛结构和运行情况等, 其影响变量很多, 且其热损失数值较大, 一般达到10%~2 5%。但主要影响因素是炉渣和飞灰中的含碳量, 炉渣和飞灰中的含碳量越高, 炉渣和飞灰的颜色越深, 固体不完全燃烧热损失就越高。

在锅炉实际运行中, 因为锅炉漏煤一般返回锅炉内继续燃烧, 所以漏煤未完全燃烧热损失可以忽略不计。根据国家局推荐的锅炉能效快速测试方法中炉渣与飞灰中的含灰量比例为4:1关系, 上述公式可以简化为

其中ch h为按照上述比例混和后的综合煤渣及飞灰含碳量, 可以利用煤渣含碳量比色卡进行测定, 然后根据用户提供的原煤分析报告中所含的灰分及低位发热量可以快速测试出固体未完全燃烧热损失。

通过实验得知, 不同种类的原煤其充分燃烬的灰分颜色是一样的。所以可通过实验制作出灰渣及飞灰所含可燃物的重量百分数与黑度相对应的比色卡。由于我市一部分企业已经在采购原煤时要求供应商提供原煤分析报告, 这样根据煤渣及飞灰含碳量和原煤分析报告中所含的灰分及低位发热量可以快速计算出固体未完全燃烧热损失的大小, 避免了炉渣含碳量的分析, 缩短了检测时间, 节约了检测成本。在实际测定锅炉热效率时, 将按照国家局推荐的快速测试方法采集灰渣及飞灰并按一定比例混合并磨成细小颗粒, 将其与比色卡比对, 可在测试现场得出灰渣及飞灰含碳量, 结合原煤分析报告可以快速得出固体未完全燃烧热损失的大小。

经过试验, 灰渣及飞灰含碳量比色卡如图1所示:

3 快速测试方法具体实施方式

3.1 范围与定义

工业锅炉固体未完全燃烧热损失快速测试, 适用于工作压力<3.8MPa的固定式燃煤蒸汽锅炉及热水锅炉的测试。该方法是指在锅炉安全、稳定运行工况下, 通过对炉渣及飞灰黑度的测试, 获得一定精度的测试结果。

3.2 测试条件与要求

在测试过程中, 锅炉及辅机应处于安全稳定的运行状态, 锅炉出力和主要热力参数基本无变化。

3.3 炉渣及飞灰的取样与制备方法

炉渣在出渣机出口处每隔15min取样一次, 共取两次, 每次取样重量为4kg。飞灰在除尘器出口处每隔15min取样一次, 共取两次, 每次取样重量1k g。将两次取样的炉渣和飞灰进行混合研磨, 采用堆掺四分法混合缩分到不小于1kg的炉渣及飞灰试样。

3.4 与比色卡比对

将研磨后的炉渣及飞灰试样装入透明塑料袋中, 与标准比色卡比对, 得出灰渣与飞灰所含可燃物含量。

3.5 计算固体未完全燃烧热损失

根据用户提供的原煤分析报告中的灰分与低位发热量, 结合灰渣与飞灰所含可燃物含量计算出固体未完全燃烧热损失。

3.6 评价方法优化

航空发动机燃烧室模型热声耦合研究 第7篇

航空涡轮发动机燃烧噪声早在70年代开始研究, 但是热声耦合研究是一个复杂的过程, 很难找出热声耦合之间的必然规律。本文尝试结合试验模型, 使用FLUENT分M析P燃a烧过程产生声压力情况。结合燃烧温度场, 寻找热声之间耦合关系。热声耦合的研究为燃烧噪声及声弹耦合研究打下基础。

1 热声耦合现象

燃烧是指燃料的氧化作用。燃烧并不是稳定的, 燃烧速度不断的改变, 产生脉动现象, 脉动产生一个声速度源, 在燃烧室里产生声域 (通常叫做燃烧噪声) 。燃烧放热速率有一个微小的变化, 这个微小的变化会产生声压扰动。声在燃烧室内传播, 遇到壁面或不同介质返回, 反过来又影响燃料供应速度, 使燃烧放热速度变化。这样燃烧放热和压力波动就互相影响, 当相位恰当时能互相激励, 构成正反馈回路。系统趋于不稳定, 微小的扰动将在短时间内被放大, 随后在非线性因素作用下建立起一定幅值和频率的振荡。这样使燃烧热和声压力二者之间形成耦合, 即热声耦合现象。

2 模型建立

燃烧室模型的建立是依据我院航空发动机燃烧室模型热声固耦合试验装置的实际尺寸制定的, 通过有限元的分析结果与试验测量结果进行比对, 验证软件分析的正确性。试验装置整体结构如图1所示。试验装置主要由三部分组成, 燃烧部分、结构段部分、水冷却部分, 燃烧室尺寸为边长150mm矩形结构, 燃烧室的长度2.2m。试验装置设有内外两层结构, 内层燃烧空间, 中间夹层作为冷却。本文主要研究燃烧室的燃烧现象和燃烧产生声压力的情况。燃烧室模型建模很简单不再列出图形。

3 模型分析

根据所给模型的尺寸进行建模, 设计为预混燃烧, 燃烧天然气, 预混温度300, 空气当量比选为1.8, 燃烧压力0.15, 产生200k W的热释放能量。经过FLUENT计算出温度场见图2所示。

通过温度场的图形可以得出温度场的燃烧是比较稳定的, 在燃烧初始段的温度相对较低, 当燃烧后段也就是燃烧充分稳定部分对应的温度很均匀, 并相对较高。燃烧开始段的燃烧脉动较为激烈, 可能会引起声压力的波动, 该段可能会产生较大的声压力信号。后段温度均匀很难有较大的脉动现象, 固声压力也应该比较均匀。

图3所示声压力场图, 从图中可以看出在燃烧开始段的两边的声压力最大, 大概100多分贝, 而在燃烧中段和末段的声压力要小一些, 但是要比1.5m左右的声压力大。燃烧末端比前面的声压力大是因为燃烧末端燃烧热气流冲击到避免产生漩涡, 造成升压, 从而压力较前端大, 燃烧开始段也是由于燃烧物迅速进入燃烧室时, 产生涡流所引起的。从上面两个图可以看出燃烧确实能产生声压力的变化, 声信号较大的地方多出现在热气流易产生漩涡的地方。

4 结论

燃烧热教学 第8篇

随着生物质气化技术的发展和新能源发动机的深入研究,热裂解生物质气等非常规气体可广泛用作内燃机的燃料。生物质气发动机具有对环境友好、能源安全和资源可持续发展等优点[1,2,3]。但秸杆等热裂解产生的气体存在成分、热值波动的问题,易造成发动机燃烧不稳定,因此有必要对发动机的燃烧循环变动进行分析,研究影响火花点火热裂解生物质气发动机燃烧循环变动的规律。本文研究了火花点火热裂解生物质气发动机的燃烧循环变动,分析了影响生物质气发动机燃烧稳定性的因素,对合理设计燃烧系统、组织燃烧过程具有重要的指导作用。

1 试验装置与数据评价准则

目前生物质气发动机的主要用途是为发电机组提供动力,带动发电机输出电能,因此将4135型生物质气发动机作为试验对象。发动机主要技术参数:四冲程、4缸、立式、水冷、非增压,缸径135 mm,行程150 mm,压缩比为10.5和11.5,燃烧室型式为浅盆形,标定转速1 500 r/min,点火方式为火花点火。

试验所用生物质的原料为木屑和粉碎的秸杆。原料在气化炉内受控燃烧,生成CO、H2、CH4等可燃气体,气泵将可燃气体由发生炉的下部吸出,加压并经两级除尘、除焦油后储存在水封储气塔中[4]。所生成生物质气的主要体积成分(5次取样的平均值):H2为14.2 %,CO为16.1 %,CH4为3.43 %,CnHm为0.96 %,(CO2+H2O)为14.77 %,O2为0.86 %,N2为49.68 %。此外,经除焦处理后的生物质气焦油质量浓度约为10 mg/m3,生物质气的平均低热值约为5 500 kJ/m3。

试验在气化站示范点完成,由于4135型生物质气发动机用于发电,因此在试验中仅测定发动机标定转速1 500 r/min下的负荷特性曲线。测录了10.5和11.5两种压缩比(设计了相同结构型式的两种压缩比活塞,试验现场更换活塞磨合后进行试验),对应点火提前角分别为24、26、28 °CA时的6条负荷特性曲线。每条曲线8个工况点,发电机组输出功率为5.5～39.5 kW,每间隔5 kW采集发动机的示功图,并进行燃烧循环变动分析。

采用平均指示压力变动系数来度量燃烧循环变动[5],将其作为评价燃烧稳定性和车辆驱动性的重要参数。平均指示压力包含了压力变动的全部信息,是评定燃烧变动的最佳参数。它是根据实测示功图计算获得。受上止点定位精度的影响,不同负荷的计算误差也不同,因此无法得到正确的分析结果[6]。采用峰值压力作为评价循环变动的参数[7,8]。由于循环峰值压力在缸内压力测量过程中可直接得到,并且峰值压力波动比较剧烈,对循环变动比较敏感,因此用峰值压力表征循环变动的误差较小。本文采用循环峰值压力变动系数和峰值压力的统计规律作为主要评价标准,当峰值压力循环变动系数差别较小时,进一步分析了最大放热率峰值循环变动情况。为方便分析比较,参照平均指示压力变动系数的定义方法,定义峰值压力的变动系数为:

δpz=σpzpz—×100 %

σpz=1n-1∑nk=1(pzk-pz—)2 (1)

式中,σpz为峰值压力的标准偏差;undefined为峰值压力的平均值;pzk为第k点峰值压力。

由于存在循环变动,单独分析几个示功图不能表示发动机的实际工作状况,因此需要对发动机的示功图进行多循环测量。选用0.5 °CA采样间隔,连续测量100个循环的气缸压力数据,并进行多次对比。结果表明每次测量结果的统计值基本一致,因此本文采用对100个连续循环示功图进行燃烧循环变动统计,分析了负荷、点火提前角和压缩比对燃烧循环变动的影响。

2 试验结果与分析

2.1 功率对燃烧循环变动的影响

图1为点火提前角为26 °CA时,发动机100个连续循环峰值压力循环变动的统计规律。由图1可见,在发电机组输出功率由小变大的过程中,峰值压力变动系数呈先增后减的趋势。

图2为不同负荷下峰值压力出现位置的统计规律。其中,θ为点火提前角,Ne为发电机组输出功率。由图2可知,发电机组输出功率较小时,峰值压力分布在上止点后2～17 °CA,且分布较为松散;随着功率增大,峰值压力分布范围变小,大部分集中在上止点后12～15 °CA,分布概率趋向集中;Ne=39.5 kW时,峰值压力的集中性均较好。

影响生物质气发动机的燃烧循环变动的主要因素包括:进气量的波动、压缩终点附近缸内的湍流强度和火花塞附近及整个气缸的流场、火花塞电极周围混合气浓度的波动。由于进气量的波动直接影响每循环最大的放热潜能,因此对燃烧循环变动的贡献最大。由于生物质气的热值较低,为保证发动机的起动,设计了怠速/起动燃气进口,有一部分燃气以恒定的流量进入发动机,因此低负荷时节气门波动小,进气量的波动较小,燃烧循环变动系数亦小[9]。

中等负荷时,由于燃烧循环变动和其他因素的影响,发动机电子调速系统在整个过程中不断调整节气门的开度,使进入发动机的混合气成分及质量不断变化,导致燃烧循环变动较大。分析其原因:(1)进气质量和浓度的变化,造成燃烧开始时火花塞电极周围的混合气成分变化,影响了火焰早期的发展;(2)进气量的变化直接影响压缩终点附近缸内的湍流强度、火花塞附近及整个气缸的流场,火焰前锋面的传播也受到缸内气流运动的影响;(3)进气的波动还直接影响每循环最大的放热潜能。

发动机在高负荷工作时,循环变动系数较小、燃烧稳定性较好的原因:(1)调速过程中,由节气门开度变化引起的进气量波动程度较中等负荷时要小,此时进入气缸的生物质气和空气的比例比较稳定,火花塞周围及缸内气流运动的波动性和随机性减小,从而有利于火焰传播的均匀性;(2)进气系统阻力的减小和进气量的增大使其他各缸之间受燃烧循环变动的影响变小,气门叠开期废气倒灌和缸内残余废气的影响随之减弱;(3)火花塞附近混合气性质较稳定,混合气易被点燃,燃烧初期产生的变动减弱,同时压缩温度及燃烧温度的提高使火焰传播速度加快,火焰与壁面的作用减弱,燃烧过程中混合气淬熄现象和部分燃烧现象明显减少,燃烧中、后期的变动相应减小。

2.2 点火提前角对燃烧循环变动的影响

发动机进气量、浓度和点火提前角均是影响燃烧循环变动的重要因素。当负荷较小时,进气量和浓度的变化较大,此时点火提前角对燃烧循环变动的影响难以确定。因此,选择发动机工作稳定性较好的大功率工况进行分析。选取发电机组输出功率为35.5 kW时的工况点,在这一工况点下,发动机节气门接近全开,发动机每循环混合气的充量和浓度基本保持一致,变化幅度较小,可以较好反映点火提前角对燃烧循环变动的影响。

图3为压缩比10.5,点火提前角分别为24、26、28 °CA时,100个连续循环峰值压力循环变动统计。左图表示峰值压力和平均峰值压力差值的统计分布;右图表示峰值压力差值出现位置的统计分布。

分析图3可知,θ=24 °CA时,峰值压力出现在上止点后14～15 °CA的循环数为91次;峰值压力差值的绝对值在0～0.1 MPa的概率为65 %,有28 %循环的峰值压力偏差的绝对值为0.1～0.2 MPa,7 %循环的峰值压力偏差的绝对值大于0.2 MPa。θ=26 °CA时,峰值压力出现在上止点后14～15 °CA的循环数为90次;峰值压力差值的绝对值在0～0.1 MPa的概率为61 %,有29 %循环的峰值压力偏差的绝对值为0.1～0.2 MPa,10 %循环的峰值压力偏差的绝对值大于0.2 MPa。θ=28 °CA时,峰值压力出现在上止点后13～14 °CA的循环数为88次;峰值压力差值的绝对值在0～0.1 MPa的概率为50 %,有38 %循环的峰值压力偏差的绝对值为0.1～0.2 MPa,12 %循环的峰值压力偏差的绝对值大于0.2 MPa。由以上统计数据可知,随着点火提前角的增大,峰值压力差值及出现位置的波动性均增大,当点火提前角为24、26、28 °CA时,对应峰值压力的变动系数分别为3.66 %、3.76 %和3.83 %。

图4为最大放热率undefined及其对应曲轴转角φ的循环变动情况。经统计,当点火提前角为24、26、28 °CA时,最大放热率的平均值分别为127.3、142.9、144 J/°CA,最大放热率对应的平均曲轴转角分别为上止点后13.39、13.05、12.24 °CA,随点火提前角的增大,最大放热率的平均值增大,对应曲轴转角的角度提前;最大放热率的循环变动系数分别为8.16 %、8.3 %、8.39 %,最大放热率对应曲轴转角的循环变动系数为9.31 %、9.88 %、10.9 %。

以上统计数值整体反映出燃烧循环变动随着点火提前角的增大而增大。分析其原因:当点火提前角增大时,燃料的燃烧放热曲线前移,在活塞上升阶段燃烧的混合气比例增加,放热量增加。由于在上止点附近燃烧室的容积较小,对热量的加入比较敏感,因而点火时火花塞处参量的微小变动,将导致气缸内最高燃烧压力产生较大的变动,燃烧循环变动的数值也明显增大。

2.3 压缩比对燃烧循环变动的影响

图5为压缩比11.5,发电机组输出功率为35.5 kW,点火提前角分别为26、28 °CA时, 100个连续循环峰值压力循环变动统计。左图表示峰值压力和平均峰值压力差值的统计分布;右图表示峰值压力差值出现位置的统计分布。

由图5可知,θ=26 °CA时,峰值压力出现在上止点后14～16 °CA的循环数为97次;峰值压力差值的绝对值在0～0.1 MPa的概率为53 %,有24 %循环的峰值压力偏差的绝对值为0.1～0.2 MPa,17 %循环的峰值压力偏差的绝对值大于0.2 MPa。θ=28 °CA时,峰值压力出现在上止点后13～15 °CA的循环数为95次;峰值压力差值的绝对值在0～0.1 MPa的概率为39 %,有34 %循环的峰值压力偏差的绝对值为0.1～0.2 MPa,27 %循环的峰值压力偏差的绝对值大于0.2 MPa。

当压缩比为11.5,点火提前角分别为26和28 °CA时,对应的峰值压力变动系数分别为3.93 %和4.06 %。而在压缩比为10.5时,上述工况对应的峰值压力变动系数分别为3.76 %和3.83 %。

从统计数据及变动系数可知,燃烧循环变动系数随压缩比的提高而增大。这是因为当压缩比提高后,上止点附近的压力升高,容积变小,放热量的差别对压力变化的影响增强,表现为循环变动增大。

3 结论

(1) 中等负荷时,由于残余废气及进气参数的影响,生物质气发动机的燃烧循环变动较大;高负荷时峰值压力分布概率较集中,燃烧循环变动系数较小。

(2) 峰值压力差值及出现位置的波动性均随点火提前角的增大及压缩比的提高而变大,燃烧循环变动亦随之增强。

(3) 在整个功率范围内,压力峰值表示的燃烧循环变动系数均小于10 %,高负荷时为3 %～4 %,发动机的整体燃烧稳定性较好。

参考文献

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