基于傳統(tǒng)燃燒機的生物質(zhì)燃燒機優(yōu)化與改進
摘要：一般狀態(tài)下，傳統(tǒng)燃油燃燒機不能充分燃燒生物燃油，因此本文在普通燃油燃燒機基礎(chǔ)上，通過增加燃油噴嘴的霧化次數(shù)改進了其霧化細度；并應(yīng)用農(nóng)業(yè)機械的配風(fēng)系統(tǒng)解決了規(guī)定轉(zhuǎn)速下配風(fēng)量低的難題；改進燃燒室的結(jié)構(gòu)使其內(nèi)部預(yù)熱均勻為燃油點燃創(chuàng)造良好的條件，一定程度上解決了燃油難點燃的難題；選取恰當(dāng)?shù)挠吐非逑磩苊馊紵龣C的腐蝕。研究結(jié)果表明，使得改進后的燃燒機基本解決了由于生物燃油自身的一些不良性質(zhì)引起的工程難題，能夠最大限度燃燒生物燃油，提高了燃油利用率，提高了燃燒機技術(shù)。
主物燃油是21世紀(jì)一種新興產(chǎn)業(yè)能源，是由玉米秸桿、小麥以及灌木等生物質(zhì)通過一定的方法制成的可燃性液體燃料，其能量密度較高、易儲存、便于運輸，在未來極有可能代替石油制品。但是由于生物燃油自身的一些特性，目前市場上的燃燒機并不能充分燃燒生物燃油，導(dǎo)致燃油能量利用率不高。本文主要依據(jù)生物燃油自身的特點對生物燃油燃燒器在結(jié)構(gòu)上做了一定改進，以使生物燃油燃燒效率提高，并為將來的生物質(zhì)燃燒機產(chǎn)業(yè)提供借鑒。
1 燃油燃燒機
1.1 傳統(tǒng)燃油燃燒機的結(jié)構(gòu)及特點
傳統(tǒng)燃燒機由油噴嘴和配風(fēng)器組成。油噴嘴安置在配風(fēng)器軸心線上，將油霧化成細滴，以一定的擴散角也稱霧化角）噴入燃燒室內(nèi)，與配風(fēng)器送入的空氣相混后著火燃燒。由于傳統(tǒng)的燃燒機多用于燃燒汽油或者柴油，所以在保證霧化效果和良好配風(fēng)的前提下，這種經(jīng)典的結(jié)構(gòu)可以將燃油充分燃燒。
1.2 生物質(zhì)燃燒機的特殊性
燃油燃燒機的結(jié)構(gòu)多是由燃油的性質(zhì)決定的。生物燃油具有特殊的分子結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)不同于汽油、柴油等其他燃油，在燃燒特性方面，生物燃油特點有以下幾個方面。
生物燃油不易燃。生物燃油雖有可燃性，但是可燃性較差，相對于其他燃油引燃較難。所以生物燃油在燃燒機內(nèi)霧化后的引燃不同于傳統(tǒng)燃燒機的直接引燃方式，其需要在一定的溫度下才能實現(xiàn)引燃的目的。
生物燃油酸性強。據(jù)相關(guān)實驗測定，生物燃油的PH值為2，酸性較強。因此燃燒機長時間燃燒生物燃油后，燃油會對油路系統(tǒng)以及燃油油槍造成一定的腐蝕，進而影響燃燒效果，所以需要經(jīng)常對油路系統(tǒng)以及燃油油槍進行清洗，費時費力。
生物燃油熱值低。汽油的熱值為44MJ／Kg，柴油的熱值達到了46. 04MJ／Kg，而生物燃油的熱值只有17MJ／Kg，熱值低是生物燃油至今還沒有被廣泛應(yīng)用的主要原因。較低的能量密度無法滿足工業(yè)需求，所以如何設(shè)計燃燒機，使其克服生物燃油該缺陷成為燃燒機改進中的一個重要因素。
生物燃油含水量高。燃油含水量越高燃燒效率越低。生物燃油的含水量大約為10%，而汽油的含水量大約為0. 1%。且生物燃油中的水絕大多數(shù)是以化合態(tài)存在的，其分子結(jié)構(gòu)中的水大多為結(jié)合水而非自由水，燃燒后生成游離水分子揮發(fā)出去。因此不能通過點燃前烘干等物理干燥方法來去除生物燃油中的水分。
生物燃油的特殊性使該燃油燃燒機也不同于傳統(tǒng)燃燒機形式。在改進燃燒機時，必須以生物燃油在燃燒方面的四個特點為準(zhǔn)則。
2 生物質(zhì)燃燒機的結(jié)構(gòu)及改進
2.1 生物質(zhì)燃燒機的整機結(jié)構(gòu)
與傳統(tǒng)燃燒機的結(jié)構(gòu)相類似，生物質(zhì)燃燒機主要由五部分組成：燃油噴嘴，配風(fēng)器，燃燒室，燃油系統(tǒng)油路系統(tǒng)）和控制系統(tǒng)‘o。
生物質(zhì)燃燒機的總體結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。其大致工作原理是接通電源后，電機啟動，風(fēng)門開關(guān)開啟，帶動配鳳器進行預(yù)吹掃，規(guī)定時間之后，油泵開始工作，從油箱中給噴嘴供油，霧化開始，點火開關(guān)打開即可對然油進行引燃。
1．電動機；2．點火控制器；3．法蘭；4．燃燒室；5．噴嘴；
6．燃燒機殼體；7．主傳動軸；8．油泵；9．軸承；10．風(fēng)門
2.2 燃燒機噴嘴的改進
決定燃燒機性能的一個主要的指標(biāo)就是噴嘴對燃油的霧化效果，經(jīng)典的霧化方法有機械霧化，發(fā)泡霧化，氣動霧化等，這三種霧化方法在霧化效果上呈遞增效應(yīng)，但是在噴嘴結(jié)構(gòu)上卻趨于復(fù)雜化，由于生物燃油的粘度大于普通的汽油和柴油，燃油在流經(jīng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的管路或者孔徑時可能會聚集在一起造成油路的堵塞，而且生物燃油在燃燒的過程中如溫度過高會結(jié)焦，故結(jié)構(gòu)較為簡單的機械壓力霧化則成為了首選霧化方法。
壓力霧化的基本原理是，液體經(jīng)過加壓后具有較大的動能，經(jīng)過小7L后會以很大的速度噴射出去，在液體表面張力，粘性和空氣阻力的相互作用下，液體由滴落，平滑流，波狀流逐漸向噴物流轉(zhuǎn)變。圖2 6）為傳統(tǒng)的機械式壓力霧化噴嘴，這種噴嘴結(jié)構(gòu)簡單，油管通過3連接口與噴嘴連接，經(jīng)2旋流片乏后燃油帶有切向的速度，再通過1霧化片噴出，達到霧化效果，這種噴嘴可以滿足大多數(shù)燒器的霧化要求，因此被廣泛應(yīng)用在當(dāng)今的燃燒器當(dāng)中。
但是，這種噴嘴也存在著一定的弊端，液體只通過霧化片一次并不能完全保證霧化效果，針對此問題本文設(shè)計出三段式霧化噴嘴，如圖2 b）所示，就噴頭霧化片部分，設(shè)計了噴嘴直徑依次增大的三個霧化片，從圖中可知，d0<dl<d2，即已經(jīng)達到霧化細度的液滴不會受下一階段霧化片的影響滯留在噴嘴中，而是通過霧化片由噴嘴噴出，這樣霧化效果得到了很大的改善。可見噴口半徑的大小直接決定噴嘴霧化的質(zhì)量，是霧化的一個關(guān)鍵參數(shù)。噴口ro半徑的計算公式圈：
這種結(jié)構(gòu)的噴嘴雖然可以很好的解決燃油霧化的問題，但是對于燃油熱值較低這一限制，國內(nèi)相關(guān)研究實踐解決該問題的思路是增加單位時間的耗油量以獲取更多的能量。而事實上該種方法存在較大弊端，單位時間內(nèi)耗油量的過大會增加噴嘴的負荷導(dǎo)致其壽命大大縮短，所以擬解決方案為增加油槍噴嘴的教量，實現(xiàn)多噴嘴同時噴油。這種并聯(lián)式噴油可以緩解噴嘴的壓力，并且解決了單位體積內(nèi)
低熱值油提供高能量難的問題，同時，該種方法對管道的強度校核。
2.3 配風(fēng)器的設(shè)計
在燃燒機的構(gòu)造中與噴嘴同等重要的是配風(fēng)系統(tǒng)。一個好的配風(fēng)器不僅可以提供燃油燃燒所需的充足的空氣，還能很好的控制風(fēng)量把燃燒過程中產(chǎn)生的雜物吹掃干凈，保證燃燒機火焰的質(zhì)量。一般情況下，根據(jù)配風(fēng)器出口氣流的形式，可以將其分為直流式配風(fēng)器和旋流式配風(fēng)器。在工業(yè)中，旋流式配風(fēng)器應(yīng)用的較為廣泛，主要原因是，在旋流配風(fēng)器的出口，氣體不僅具有軸向速度，還有切向速度，做螺旋線的切向運動，形成輻射狀的環(huán)形氣流，這種氣流更易于與油霧混合，為燃油的燃燒創(chuàng)造良好的條件。
對于生物燃油來說，每千克燃油完全燃燒所需要的空氣量為6. 38 lj13，在工業(yè)中燃油每小時的消量一般為300 kg，所以配風(fēng)器每小時需要輸出1914 IJ13的空氙量才能為燃油燃燒提供充足的空氣，那么在風(fēng)機的設(shè)計中，葉片數(shù)目是一個比較關(guān)鍵的參數(shù)，一般條件下葉片數(shù)目的選擇見表1。
確定了風(fēng)機的葉片數(shù)量之后，風(fēng)機的一些其他基本參數(shù)就可以確定出來了。然而由于生物燃油自身的特性，其燃燒過程中會結(jié)焦，導(dǎo)致有大質(zhì)量的分子產(chǎn)物生成，因此需要提高風(fēng)量把這種廢棄產(chǎn)物吹出燃燒室。在本課題風(fēng)機的設(shè)計中，由于主傳動軸即為風(fēng)機軸，由電動機輸入的轉(zhuǎn)速為1 800 r／min，這樣的轉(zhuǎn)速限制了風(fēng)機提供的風(fēng)量，因此借鑒了農(nóng)業(yè)機械中升運器的風(fēng)機結(jié)構(gòu)∞圖3所示），尤其是葉片結(jié)構(gòu)，這種形式的風(fēng)機可以實現(xiàn)在規(guī)定轉(zhuǎn)速下提供盡量多的風(fēng)量圈。
2.4 燃燒室的改進
傳統(tǒng)燃燒機的燃燒室是依據(jù)傳熱學(xué)，流體力學(xué)和空氣動力學(xué)等相關(guān)學(xué)科理論來設(shè)計改進的。一般汽油和柴油燃燒機在室溫Q0℃）下即可引燃，但是相關(guān)實驗測定表明，主物燃油需要預(yù)熱至60℃時可燃性才會提高。在燃燒室的外部纏繞電阻絲，可以解決燃油預(yù)熱的問題[ -司。這種方法操作簡單，可以保證在恒溫的條件下對燃油進行均勻的加熱，避免燃油忽冷忽熱對其性質(zhì)產(chǎn)生的影響，而且大大減小了熱量的損失，加熱效果好。
2.5 燃油系統(tǒng)的改進
根據(jù)不同的燃油性質(zhì)，傳統(tǒng)燃燒機在工作完畢后無需對燃燒機內(nèi)部管路進行清洗，而生物燃油具有較強的酸性，所以在燃燒器每次停機之前，需要對內(nèi)部管路進行一定的清洗。可用乙醇作為燃燒器油路和油槍的清洗劑例，即在供油系統(tǒng)停止供油之后，控制系統(tǒng)應(yīng)使油泵抽取乙醇至油路中進入油槍并由制定容器收集以循環(huán)使用。
3 結(jié)束語
首先，乙醇可以中和燃油中的酸性，而且不會對油路和油槍產(chǎn)生任何不良影響；其次，乙醇易揮發(fā)，清洗后殘留在油路管道中的乙醇可以靠自身蒸發(fā)掉，不會大量殘留在管道內(nèi)；最后，殘留乙醇不影響燃燒效果，即使一部分乙醇液體殘留在管道內(nèi)，在下一次燃燒器開機工作時可以與燃油很好的混合，而且也會提高燃油的燃燒效果。
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