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气体示踪法在壁挂炉研发中的应用案例
     2014-11-18 13:40     来源:博世热力技术(上海)有限公司     浏览量:10137


     摘  要:气体示踪法是通过某种可监测气体跟踪显示实际工质的流动趋势以及流场分布状态的一种方法。本文针对实际情况下燃烧所需空气的流动形态及分布,采用此法来模拟探测并分析对燃烧的影响,从而验证此法的有效性。在本实验设计中,锅炉采用平衡式同轴烟管进行排烟和空气引入;示踪气体将替代燃烧用空气来模拟炉内气体流场分布及动态。实验结果表明此方法可实时模拟炉内流场,明显可见各流体受阻情况即涡流处。实验人员可以通过减少涡流和平衡烟气分布来改善空气和燃气的混合情况,进而降低不完全燃烧程度,达到优化燃烧的目的。

 

    关键词:气体示踪;流场;壁挂炉;燃烧;模拟

 

    引言

 

    国外将气体示踪法引入暖通行业是在20世纪60年代,国内引用始于90年代[1]。目前气体示踪法已成为研究气体流动必不可少的实验方法之一,主要应用于测量室内气流参数,房间换气量,工业锅炉烟气流动,管道密封性测试,消防类烟雾测试以及矿井通风等领域的研究;它是通过某种可检测的气体跟踪(目测或探测器)显示实验气体的流动趋势以及状态。本文采用视觉可跟踪气体模拟实际工况下燃烧所需空气的流动形态及走向。

 

    1 实验方法

 

    1.1 示踪气体技术的引入

 

    首先选择合适的可跟踪气体即示踪剂[2]。它能随流体流动指示该流体的存在,流动方向和流动速度。按其自身结构的不同,示踪剂可分为液体示踪剂,气体示踪剂,放射性示踪剂,化学示踪剂等类。一般用作示踪剂的物质有:荧光素,硝酸盐,氯化锂,重水,硫氢酸盐,水溶性醛类等。采用以上示踪剂进行实验时均需配探测示踪剂仪器。为简化实验在本实验中不予采用,改用消防类烟雾测试中发烟饼作为实验用示踪剂。

 

    在壁挂炉中一般使用平衡式系统,风机运转时在燃烧室腔体内产生负压,新鲜空气由外烟管被吸入锅炉内与燃气混合进行燃烧,再由风机将烟气从内烟管排出,内外烟管气流形成一种动态平衡。实验设计中将示踪气体替代新鲜空气模拟显示锅炉内部气流的此动态平衡流动。

 

    本实验锅炉风机风量理论值为30m3/h,实际所选风机可提供40m3/h的风量,理论上燃气可实现完全燃烧。由于实际状况较理论复杂,壁挂炉燃烧腔体内热交,火排,集烟罩,风机等零部件的组装位置也会影响气流走向,通过气体示踪法可直接发现气流停留受阻。本实验锅炉由于腔体体积较小,各零部件位置较集中,空气引入主力,加之风机安装位置不一居中对称,偏置腔体内左右抽力不均,造成燃烧和排放状况较理想值相差较多,在过载测试中CO排放超出国标[3]规定的2000ppm,不利于人身安全。为了改善此状况,实验时引入气体示踪法,找出实际空气受阻的原因。

 

    1.2 实验设计

 

    本实验仅适用于传统壁挂炉即非冷凝壁挂炉

 

    本实验选取发烟饼(主要成分为硫磺和锯沫,添加干燥剂,为白色物质,发出白烟,对身体无害)作为示踪剂,并在无燃烧状态下进行气流模拟。

 

    首先对实验对象锅炉进行烟气量计算[4],如下:

 

    理论空气量

 

    1.jpg(1-1)

 

    式中:V0—理论空气需要量(Nm3/Nm3干空气/干燃气);H2、CO、CmHn、H2S—燃气中各种可燃组分的容积成分;O2—燃气中氧的容积成分。

 

    理论烟气量(当a=1时)

    

    2.jpg (1-2)

 

    三原子气体体积

 

    VRO2 =VCO2+VSO2=0.01(CO2+CO+∑mCmHn+H2S)

 

    式中:VRO2—三原子气体体积(Nm3/Nm3干燃气);VCO2、VSO2—二氧化碳和二氧化硫的体积(Nm3/Nm3干燃气)。

 

    水蒸气体积

 

3.jpg

 

    式中:V0HO2—理论烟气中水蒸气体积(Nm3/Nm3干燃气);da—空气的含湿量(kg/Nm3干空气)。

 

    氮气体积  

   

4.jpg

 

    式中:V0N2—理论烟气中氮气的体积(Nm3/Nm3干燃气)。

 

    实际烟气量(当a >1时)

 

          Vf=VRO2+VH2O+VN2+VO2                   (1-3)

 

    式中,三原子气体体积VRO2仍按式(1-2)计算

 

    式中:VH2O—实际烟气中的水蒸气体积(Nm3/Nm3干燃气)。

 

5.jpg

 

    式中:VN2—实际烟气中氮气的体积VO2(Nm3/Nm3干燃气)。

          

       VN2=0.79aV0+0.001N2

 

    式中:VO2—实际烟气中过剩氧体积(Nm3/Nm3干燃气)。

 

    过剩氧体积

 

    VO2=0.21(a-1)V0

 

    例如:16kW 壁挂炉烟气量为30m3/h, 在选择示踪烟气体时,尽量选取接近此流量的发烟材料避免烟量过多风机负载过大无法及时排出影响实验结果。

 

    实验步骤如下:

 

    1) 实验准备

 

    I. 将面壳及燃烧室前板均换成玻璃板;II.启动锅炉关闭气阀,单独控制风机;III.将发烟饼置于空气管端口点燃,白色烟雾将代替部分空气被吸入腔体内;

 

    2) 实验步骤设计

 

    I. 目的:观测烟气流向。风机额定压力为220V降电压至180V,风速变慢,发烟量由1/2增加到1,距离空气管30cm至5cm移动,发烟时间10分钟为宜;

 

    II.目的:观测烟气聚集位置。稳定发烟量,风机设置为额定电压220V运行,持续10分钟。

 

    通过玻璃面板可直视腔体内白色烟雾流动走向,受阻处位置及各涡流处,实验人员将其拍摄下作为记录。理论上可预先在各流动受阻处改变阻力部件位置,设置导流板或是增加圆角倒角减少涡流[5]。

 

    本实验锅炉中由于风机向左偏置,造成左右两侧抽力不均。白色烟雾在进入腔体后,右侧流动速度明显较左侧缓慢(白烟浓度递增速度慢),集烟罩与APS间烟气流动受阻聚集停留,无法顺利流动进入燃烧室. 改进措施为将APS换至左侧,在集烟罩右侧增加导流板,可明显见白色烟雾流动顺畅。如图:

 

6.jpg

 

    腔体底部直角拐角处形成涡流;火排底部左右两侧气流冲击造成2处涡流。改进措施为将APS换至左侧,在燃烧室右侧板增加导流板,原理图如下:

 

        7.jpg

 

    试验证明增加导流板后,示踪法可明显见涡流处减少,流动顺畅,气流导向燃烧室中间部位。

 

8.jpg

 

    2 实验结果

   

    实验气:G20

 

    实验前烟气排放值如下表1

 

9.jpg

 

    实验改进后烟气排放值如下表2

 

   10.jpg

 

    将集烟罩与前盖板对应的开5-8个间距相等的孔方便取点。插入铜管,做好管周围密封,用烟气分析仪分别测量出不同深度的烟气值。集烟罩内30个烟气取样点烟气分布图如下图1、图2:

 

11.jpg

 

    实验结果表明此方法可实时模拟空气走向,明显可见各流体受阻处涡流和不平衡流场。通过改善涡流和不平衡的流场进而达到明显改善燃烧分布优化排放的目的。

 

    从而全方位的保证空燃混合的均匀度,确保充分燃烧和排放的平衡度。通过对不足之处的改进,可以保证在其效率、点火成功率、火焰高度的一致性、避免局部冷凝水的产生、热交内部局部沸点的产生、火焰不平衡导致的紊流噪音使其延长使用寿命、减少烟管不同安装方向和有风条件的影响。其均起到了积极的作用。

 

    3 结论

 

    气体示踪法在改善燃烧上有明显的导向作用,较计算流体力学CFD适用实际状况,实验设计简单易于操作和硬件要求低。同其他暖通领域一样,此方法可应用于优化壁挂炉燃烧性能的研究上。

 

    参考文献

 

    [1] 薛斐.[示踪气体测量室内气流参数的方法研究发展综述]

 

    [2] 王大全.[精细化工辞典]

 

    [3] GB25034-2010.[燃气采暖热水炉].中国标准出版社. 2008

 

    [4] 同济大学.[燃气燃烧与应用 (第三版)].北京:中国建筑工业出版社. 2002

 

    [5] 赵汉中.[工程流体力学]. 华中科技大学出版社

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