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脉动生物质燃烧机的频率特性研究
由于可控的脉动燃烧能大大提高燃烧效率和燃气的传热效率，在喷气推进、动力发电、工业炉窑、民用取暖，化工中的干燥和煅烧、各种锅炉等有明显的潜在优势。基于Higgins-Rijke热声效应的无阀自激脉动燃烧器，因其结构简单，无运动部件，寿命可达水平，潜在应用前景。
脉动生物质燃烧机的频率特性对其设计和使用都有很重要的意义。非自激脉动燃烧器的工作频率取决于外界脉动源（如脉动供气）的频率，而Hehnholtz型有阀自激脉动燃烧器（如市场有售的富尔顿脉动燃气锅炉）的频率可用Helmholtz共振腔公式计算。对于直管的Higgins-Rijke型脉动燃烧器，其频率可根据燃烧器总长，按1／2波长管公式大致估算。由于管中术 自然科学资助项目(69802010)有冷段和热段，管中气流的平均声速只能凭经验给定，其误差随意性很大。
由于直管的Higgins-Rij ke型无阀自激脉动燃烧器须在长径比大于10时，才能较好工作，极大地限制其推广使用。设想1 m直径的燃烧器至少10 m长。且不说需特高的锅炉房才能安装，就其工作频率来说，约24 Hz，已接近次声，噪声对人体存在较大问题。为此，我们对直管的Higgins-Rijke型自激脉动生物质燃烧机进行了改进。将进气段和出气段的通气截面积，做成小于燃烧室通气截面枳，形成“两端收口”的无阀自激脉动燃烧器。这样，使燃烧器总长与燃烧室直径之比减小到4.2时，仍能自激脉动工作[1]。为了有别于直管的Higgins-Rijke型脉动燃烧器，也为了叙述方便起见，我们把这种“两端收口”的无阀自激脉动燃烧器称为Rijke-ZT型脉动燃烧器。直管522的Higgins-Rijke型脉动燃烧器只是Rijke-ZT型脉动燃烧器的一个特例。我们曾对Rijke-ZT型脉动燃烧器的频率特性进行过研究[2]，但未曾涉及燃气的温度分布。本文就Rijke-ZT型脉动燃烧器考虑热燃气温度分布的频率特性进行实验研究，并推导出计算这种脉动燃烧器频率的公式。
1 Rijke-ZT型脉动燃烧器的频率特性
的实验研究
为了研究Rijke-ZT型无阀自激脉动生物质燃烧机的频率特性，加工了4种不同收缩比的试验器（见图1）。它们的尺寸参数见表1。为今后阐述方便起见，我们称移C管段为进气段、≯B为燃烧室、≯A为出气段。
表1进、出气段不同收缩比的脉动试验器一览表
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┃ 试验器编号 ┃No．1 ┃ No.2 ┃ No．3 ┃ No．4 ┃ No．5 ┃ No.6 ┃
┣━━━━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫
┃ 4A mm ┃4160 ┃4106 ┃西70 ┃击52 ┃击70 ┃西52 ┃
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┃ 4B mm ┃4160 ┃4160 ┃+160 ┃+160 ┃4160 ┃4160 ┃
┣━━━━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫
┃ +C mm ┃4160 ┃4106 ┃击70 ┃击52 ┃4106 ┃4106 ┃
┣━━━━━━━╋━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫
┃ 出气段收缩 ┃ 1 ┃ 0.44 ┃ 0.19 ┃ 0.11 ┃ 0.19 ┃ 0.11 ┃
┃ 比4A／曲B ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
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┃ 进气段收缩 ┃ 1 ┃ 0,44 ┃ 0.19 ┃ 0 11 ┃ 0.44 ┃ 0.44 ┃
┃ 比西C／西B ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
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根据我佃的经验和对Higgins-Rijke型热声现象的认识[3】’这种燃烧器的频率特性不受热源种类的影响。因此，我们用电加热的方法作热源，而不是用固、液或气体燃料燃烧做热源，这样热源参数易于控制和调整。沿试验器轴向安装了10支热电偶，测量温度分布。热电偶的间距是不相等的，温度变化较大区域热电偶间距相对小些（热电偶沿轴向的安装位置见图2）。由直径为0.6 mm的镍铬镍铝丝组成的露头铠装热电偶，动态响应很好。用YE2539高速静态电阻应变仪每隔10 s采样一次。试验器内气体脉动频率由安放在进气口处的CA-YD5,4加速度传感器拾取。讯号经电荷放大器放大后，输入双迹阴极射线示波器，由函数发生器发出的讯号进行比较。由于Rijke-ZT型脉动燃烧器内的声波不是纯正弦波，基波上叠加了一些谐波，因此不能用通常的频率计数器直接读得主频率值。
测得的相应温度分布见表2。测得的主频率值见表3。
进、出气段通气截面积相同时试验器的主频率与温度分布的关系见表2中的No．1，No．2，No．3，N04，进、出口段通气截面积不同时的频率特性见表2中的No．5，No．6
图2热电偶分布示意图
表2 各点热电偶测得的温度值
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┃ ┃ 温度分布／oC ┃
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┃诫验器编号 ┃HOO ┃H01 ┃H02 ┃H03 ┃H04 ┃H05 ┃H06 ┃H07 ┃H08 ┃H09 ┃
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┃ No．1 ┃ 56 ┃ 59 ┃ 77 ┃ 83 ┃112 ┃178 ┃ 271 ┃ 95 ┃ 34 ┃ 24 ┃
┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫
┃ No．2 ┃ 76 ┃ 80 ┃ 82 ┃ 84 ┃ 109 ┃ 167 ┃ 356 ┃ 83 ┃ 29 ┃ 21 ┃
┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫
┃ No．3 ┃ 89 ┃ 93 ┃ 96 ┃ 99 ┃ 107 ┃ 224 ┃ 237 ┃ 136 ┃ 34 ┃ 22 ┃
┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫
┃ No．4 ┃ 75 ┃ 87 ┃ 93 ┃ 95 ┃139 ┃ 233 ┃244 ┃135 ┃ 29 ┃ 21 ┃
┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫
┃ No.5 ┃ 82 ┃ 99 ┃ 107 ┃ 121 ┃ 125 ┃ 182 ┃ 404 ┃ 107 ┃ 36 ┃ 23 ┃
┣━━━━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━╋━━━┫
┃ No．6 ┃ 50 ┃ 76 ┃ 78 ┃ 82 ┃ 98 ┃ 131 ┃ 376 ┃ 80 ┃ 31 ┃ 23 ┃
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表3实验用Rijke-ZT生物质燃烧炉的实测频率与计算频率对比表
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┃ 试验器编号 ┃No．1 ┃ No．2 ┃ No．3 ┃ No．4 ┃ No．5 ┃ No．6 ┃
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┃实测基频/Hz ┃ 113.3 ┃ 86.9 ┃ 60 l ┃ 46.8 ┃ 75.3 ┃ 71 1 ┃
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┃计算频率/Hz ┃ 111.2 ┃ 83.0 ┃ 59.6 ┃ 45.8 ┃ 74.3 ┃ 68.4 ┃
┣━━━━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━╋━━━━┫
┃ 误差／% ┃ 1.9 ┃ 4.5 ┃ 0.8 ┃ 2.1 ┃ 1.3 ┃ 3.8 ┃
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2 Rijke-ZT型脉动生物质燃烧炉的频率公式
图3是用来推导Rijke-ZT型无阀自激脉动生物质燃烧炉工作频率的示意图。
将该生物质燃烧炉划分为4个区域I，II，III，IV。严格地讲，工质空气从进气口1进入生物质燃烧炉后，温度在不断变化。在热源处空气接受大量热量而使温度达到最
Rijke-ZT型脉动生物质燃烧炉的频率特性研究
3讨论
为了考核本文推导的频率计算公式(12)和(13)的适用性，我们还用过去实验中得到的数据与用式(12)和(13)计算的结果进行比较。一组是燃煤的Rijke-ZT型脉动生物质燃烧炉，一个是燃油的多管Rijke-ZT翌脉动燃烧器，它们的尺寸见表4。计算的结果和测得的频率值列于表5。
表5燃煤、燃油Rij ke- ZT燃烧器的实测频率与计算频率对比表
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┃ 燃烧器编号 ┃ 燃煤1 ┃ 燃煤2 ┃ 燃煤3 ┃ 燃油l ┃
┣━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━┫
┃ 实测基频/Hz ┃ 70 ┃ 60 ┃ 75 ┃ 30 ┃
┣━━━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━╋━━━━━┫
┃ 计算频率/Hz ┃ 70.0 ┃ 62.3 ┃ 78.2 ┃ 30.5 ┃
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┃ 误差% ┃ O ┃ 3.8 ┃ 4.3 ┃ L7 ┃
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从表3和表5看出，在不同的结构尺寸和不同的热源条件下，式(12)和(13)均能较好地计算Rijke-ZT型无阀自激脉动燃烧器的谐振基频，误差均在5Vo以内。
需要指出的是，由于进气段、燃烧室和出气段中气流的温度沿轴向是变化的，在取平均温度时可能引入一些误差，所幸的是，用式(12)或【13)计算频率时，引入的少量误差几乎不影响频率计算值。我们以试验器编号No．2为例进行了计算，当死- 150。时，计算频率为83.03 Hz，当疋改变为1400和1600（其他参数均不变），计算频率分别为83.01 Hz和83.05 Hz，我们认为该试验器的主频为83 Hz是足够准确的，其误差在0.6Vo，工程上已足够用。
值得注意的是，这绝不是说温度分布对频率计算没有影响。相反，从式(12)和(13)看出，温度分布形成的~／凳，√凳，√凳等等对谐振频率产生直接髟响。我们又以试验器编号No．2为例进行了计算。在几何参数不变的条件下，将温度分布取用燃油脉动燃烧器的。计算结果表明，谐振基频从83 Hz上升到107 Hz。由于声速与工质温度有关，因此温度升高必导致谐振频率的提高，这是可以理解的。
4结论
(1) Rijke-ZT型自激脉动生物质燃烧炉的工作基频不仅与其形状和尺寸有关，而且与工质在生物质燃烧炉内的温度分布有密切关系。
(2)当Rijke-ZT型燃烧器的工质温度分布分段用其算术平均值来处理时，用公式(12)计算所得主频与实际测得的工作基频的误差在5Vo以内，能满足工程使用要求。
由于可控的脉动燃烧能大大提高燃烧效率和燃气的传热效率，在喷气推进、动力发电、工业炉窑、民用取暖，化工中的干燥和煅烧、各种锅炉等有明显的潜在优势。基于Higgins-Rijke热声效应的无阀自激脉动燃烧器，因其结构简单，无运动部件，寿命可达水平，潜在应用前景。
脉动生物质燃烧机的频率特性对其设计和使用都有很重要的意义。非自激脉动燃烧器的工作频率取决于外界脉动源（如脉动供气）的频率，而Hehnholtz型有阀自激脉动燃烧器（如市场有售的富尔顿脉动燃气锅炉）的频率可用Helmholtz共振腔公式计算。对于直管的Higgins-Rijke型脉动燃烧器，其频率可根据燃烧器总长，按1／2波长管公式大致估算。由于管中术 自然科学资助项目(69802010)有冷段和热段，管中气流的平均声速只能凭经验给定，其误差随意性很大。
由于直管的Higgins-Rij ke型无阀自激脉动燃烧器须在长径比大于10时，才能较好工作，极大地限制其推广使用。设想1 m直径的燃烧器至少10 m长。且不说需特高的锅炉房才能安装，就其工作频率来说，约24 Hz，已接近次声，噪声对人体存在较大问题。为此，我们对直管的Higgins-Rijke型自激脉动生物质燃烧机进行了改进。将进气段和出气段的通气截面积，做成小于燃烧室通气截面枳，形成“两端收口”的无阀自激脉动燃烧器。这样，使燃烧器总长与燃烧室直径之比减小到4.2时，仍能自激脉动工作[1]。为了有别于直管的Higgins-Rijke型脉动燃烧器，也为了叙述方便起见，我们把这种“两端收口”的无阀自激脉动燃烧器称为Rijke-ZT型脉动燃烧器。直管522的Higgins-Rijke型脉动燃烧器只是Rijke-ZT型脉动燃烧器的一个特例。我们曾对Rijke-ZT型脉动燃烧器的频率特性进行过研究[2]，但未曾涉及燃气的温度分布。本文就Rijke-ZT型脉动燃烧器考虑热燃气温度分布的频率特性进行实验研究，并推导出计算这种脉动燃烧器频率的公式。
1 Rijke-ZT型脉动燃烧器的频率特性
的实验研究
为了研究Rijke-ZT型无阀自激脉动生物质燃烧机的频率特性，加工了4种不同收缩比的试验器（见图1）。它们的尺寸参数见表1。为今后阐述方便起见，我们称移C管段为进气段、≯B为燃烧室、≯A为出气段。
表1进、出气段不同收缩比的脉动试验器一览表
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┃ 试验器编号 ┃No．1 ┃ No.2 ┃ No．3 ┃ No．4 ┃ No．5 ┃ No.6 ┃
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┃ 4A mm ┃4160 ┃4106 ┃西70 ┃击52 ┃击70 ┃西52 ┃
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┃ 4B mm ┃4160 ┃4160 ┃+160 ┃+160 ┃4160 ┃4160 ┃
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┃ +C mm ┃4160 ┃4106 ┃击70 ┃击52 ┃4106 ┃4106 ┃
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┃ 出气段收缩 ┃ 1 ┃ 0.44 ┃ 0.19 ┃ 0.11 ┃ 0.19 ┃ 0.11 ┃
┃ 比4A／曲B ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
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┃ 进气段收缩 ┃ 1 ┃ 0,44 ┃ 0.19 ┃ 0 11 ┃ 0.44 ┃ 0.44 ┃
┃ 比西C／西B ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
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根据我佃的经验和对Higgins-Rijke型热声现象的认识[3】’这种燃烧器的频率特性不受热源种类的影响。因此，我们用电加热的方法作热源，而不是用固、液或气体燃料燃烧做热源，这样热源参数易于控制和调整。沿试验器轴向安装了10支热电偶，测量温度分布。热电偶的间距是不相等的，温度变化较大区域热电偶间距相对小些（热电偶沿轴向的安装位置见图2）。由直径为0.6 mm的镍铬镍铝丝组成的露头铠装热电偶，动态响应很好。用YE2539高速静态电阻应变仪每隔10 s采样一次。试验器内气体脉动频率由安放在进气口处的CA-YD5,4加速度传感器拾取。讯号经电荷放大器放大后，输入双迹阴极射线示波器，由函数发生器发出的讯号进行比较。由于Rijke-ZT型脉动燃烧器内的声波不是纯正弦波，基波上叠加了一些谐波，因此不能用通常的频率计数器直接读得主频率值。
测得的相应温度分布见表2。测得的主频率值见表3。
进、出气段通气截面积相同时试验器的主频率与温度分布的关系见表2中的No．1，No．2，No．3，N04，进、出口段通气截面积不同时的频率特性见表2中的No．5，No．6
图2热电偶分布示意图
表2 各点热电偶测得的温度值
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┃ ┃ 温度分布／oC ┃
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┃诫验器编号 ┃HOO ┃H01 ┃H02 ┃H03 ┃H04 ┃H05 ┃H06 ┃H07 ┃H08 ┃H09 ┃
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┃ No．1 ┃ 56 ┃ 59 ┃ 77 ┃ 83 ┃112 ┃178 ┃ 271 ┃ 95 ┃ 34 ┃ 24 ┃
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┃ No．2 ┃ 76 ┃ 80 ┃ 82 ┃ 84 ┃ 109 ┃ 167 ┃ 356 ┃ 83 ┃ 29 ┃ 21 ┃
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┃ No．3 ┃ 89 ┃ 93 ┃ 96 ┃ 99 ┃ 107 ┃ 224 ┃ 237 ┃ 136 ┃ 34 ┃ 22 ┃
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┃ No．4 ┃ 75 ┃ 87 ┃ 93 ┃ 95 ┃139 ┃ 233 ┃244 ┃135 ┃ 29 ┃ 21 ┃
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┃ No.5 ┃ 82 ┃ 99 ┃ 107 ┃ 121 ┃ 125 ┃ 182 ┃ 404 ┃ 107 ┃ 36 ┃ 23 ┃
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┃ No．6 ┃ 50 ┃ 76 ┃ 78 ┃ 82 ┃ 98 ┃ 131 ┃ 376 ┃ 80 ┃ 31 ┃ 23 ┃
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表3实验用Rijke-ZT生物质燃烧炉的实测频率与计算频率对比表
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┃ 试验器编号 ┃No．1 ┃ No．2 ┃ No．3 ┃ No．4 ┃ No．5 ┃ No．6 ┃
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┃实测基频/Hz ┃ 113.3 ┃ 86.9 ┃ 60 l ┃ 46.8 ┃ 75.3 ┃ 71 1 ┃
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┃计算频率/Hz ┃ 111.2 ┃ 83.0 ┃ 59.6 ┃ 45.8 ┃ 74.3 ┃ 68.4 ┃
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┃ 误差／% ┃ 1.9 ┃ 4.5 ┃ 0.8 ┃ 2.1 ┃ 1.3 ┃ 3.8 ┃
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2 Rijke-ZT型脉动生物质燃烧炉的频率公式
图3是用来推导Rijke-ZT型无阀自激脉动生物质燃烧炉工作频率的示意图。
将该生物质燃烧炉划分为4个区域I，II，III，IV。严格地讲，工质空气从进气口1进入生物质燃烧炉后，温度在不断变化。在热源处空气接受大量热量而使温度达到最
Rijke-ZT型脉动生物质燃烧炉的频率特性研究
3讨论
为了考核本文推导的频率计算公式(12)和(13)的适用性，我们还用过去实验中得到的数据与用式(12)和(13)计算的结果进行比较。一组是燃煤的Rijke-ZT型脉动生物质燃烧炉，一个是燃油的多管Rijke-ZT翌脉动燃烧器，它们的尺寸见表4。计算的结果和测得的频率值列于表5。
表5燃煤、燃油Rij ke- ZT燃烧器的实测频率与计算频率对比表
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┃ 燃烧器编号 ┃ 燃煤1 ┃ 燃煤2 ┃ 燃煤3 ┃ 燃油l ┃
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┃ 实测基频/Hz ┃ 70 ┃ 60 ┃ 75 ┃ 30 ┃
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┃ 计算频率/Hz ┃ 70.0 ┃ 62.3 ┃ 78.2 ┃ 30.5 ┃
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┃ 误差% ┃ O ┃ 3.8 ┃ 4.3 ┃ L7 ┃
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从表3和表5看出，在不同的结构尺寸和不同的热源条件下，式(12)和(13)均能较好地计算Rijke-ZT型无阀自激脉动燃烧器的谐振基频，误差均在5Vo以内。
需要指出的是，由于进气段、燃烧室和出气段中气流的温度沿轴向是变化的，在取平均温度时可能引入一些误差，所幸的是，用式(12)或【13)计算频率时，引入的少量误差几乎不影响频率计算值。我们以试验器编号No．2为例进行了计算，当死- 150。时，计算频率为83.03 Hz，当疋改变为1400和1600（其他参数均不变），计算频率分别为83.01 Hz和83.05 Hz，我们认为该试验器的主频为83 Hz是足够准确的，其误差在0.6Vo，工程上已足够用。
值得注意的是，这绝不是说温度分布对频率计算没有影响。相反，从式(12)和(13)看出，温度分布形成的~／凳，√凳，√凳等等对谐振频率产生直接髟响。我们又以试验器编号No．2为例进行了计算。在几何参数不变的条件下，将温度分布取用燃油脉动燃烧器的。计算结果表明，谐振基频从83 Hz上升到107 Hz。由于声速与工质温度有关，因此温度升高必导致谐振频率的提高，这是可以理解的。
4结论
(1) Rijke-ZT型自激脉动生物质燃烧炉的工作基频不仅与其形状和尺寸有关，而且与工质在生物质燃烧炉内的温度分布有密切关系。
(2)当Rijke-ZT型燃烧器的工质温度分布分段用其算术平均值来处理时，用公式(12)计算所得主频与实际测得的工作基频的误差在5Vo以内，能满足工程使用要求。
(3) Rijke-ZT型自激脉动燃烧器的工作基频只与其形状、尺寸和温度分布有关，而与热源的性质（燃煤、燃油或电加热等）无关。
生物质燃烧机
生物质颗粒燃烧机
木片燃烧机
木粉燃烧机
锯末燃烧机
燃烧机
颗粒燃烧机
木块燃烧机
生物质气化站，http://www.598jx.com
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