脉冲燃烧器的工作原理与应用

1  前言

脉冲燃烧的构思产生于十九世纪初年,当时的应用是围绕 着驱动发动机。二十世纪50年代、60年代,脉冲燃烧加热装 置如暖风机、小型锅炉等开始在美国、日本的市场上出现。我国 在80年代,有关部门开始对脉冲燃烧进行了研究。脉冲燃烧技术具有热效率高、烟气中有害成分少、结构简单等许多优点,有 着广泛的应用范围。但是,由于脉冲燃烧的机理至今还未完全 认识清楚,因此市场上脉冲燃烧的产品并不多见。为适应目前节约能源,有利环保的需要,应该努力开发脉冲燃烧产品。

2  脉冲燃烧器的工作原理及特点

脉冲燃烧器按照进气阀构造分为“有阀型”和“无阀型”两大 类。“有阀型”结构是指燃气阀和空气阀带有可移动的膜片,通 过膜片的“开”和“关”来实现气体的单向流动。“无阀型”结构则 无移动部件,而是利用空气动力学原理来实现气体流通的单向性。 由于后者设计困难,采用得比较少。

2.1  脉冲燃烧器的工作原理

脉冲燃烧器的工作原理与通常的燃烧器的燃烧原理不同, 而近似于内燃机的燃烧,亥姆霍兹式脉冲燃烧器的结构。在燃烧室中使燃气（或液体、固体（粉状）燃料）和空气的  可燃混合物燃烧,这时靠产生的高温烟气的膨胀压力将烟气排  出之后,由于燃烧室内形成的负压吸入新的燃气和空气。然后  再由一部分向燃烧室逆向排入的烟气或残存在燃烧室内的高温  燃烧产物使其着火燃烧,这样脉冲燃烧是周期进行的。一个循环周期分三个过程,即燃烧过程、排气过程和吸气过程。

（1）燃烧过程：供给燃烧室的燃气－空气混合物由前一个周 期的高温残存燃烧产物点燃引起燃烧（最开始用点火器点燃）, 由于气体膨胀,燃烧室内压力急剧上升。

（2）排气过程：由于燃烧室内压力升高,使燃气和空气瓣阀 关闭,燃烧产物从排气管（尾管）被排出,排气终了时靠排气的惯 性作用,燃烧室的压力降至大气压力以下。

（3）吸气过程：由于燃烧室内形成负压,使燃气和空气瓣阀 打开,燃气和空气被吸入燃烧室,同时部分燃烧产物从排气管逆 向流入燃烧室,将燃气－空气混合物点燃,开始下一个循环,如 此自动地进行下去。

2.2   脉冲燃烧器的特点

2.2.1   优点

（1）燃烧室容积热强度大,可高达23260kW/m3,排气管的形状又很简单,因此由脉冲燃烧器组成的加热装置结构紧凑,体 积小。

（2）加热效率高。由于脉冲燃烧是在声波作用下进行,燃气 和空气混合均匀,燃烧加剧,空燃比接近化学计量比,而且排烟 温度可降至露点以下,充分利用了烟气中的潜热,所以热效率 高,比目前最先进的燃烧装置提高 10％ 左右。当用作热风采暖 时,热效率可达96％ ,当用作热水锅炉时,热效率接近或超过 100％（按低热值计算）。

（3）传热系数大。脉冲燃烧存在着较高的脉动频率,气流具 有相当强的脉冲性,严重破坏了气流的传热边界层,同时在脉冲 燃烧周期中出现了高速气流,所以总的传热系数很高,比普通的 加热设备大一倍以上。

（4）NOX  排放量低。由于燃烧气体残存或逆向流入燃烧室, 避免了燃烧温度过高,有利于减少 NOX  生成量（通常只有常规燃  烧器的50％）。

（5）不需要空燃比控制装置。 因为燃料和空气吸入量由气 体瓣阀、燃烧室及排气管等燃烧器本体结构进行控制。

（6）正常运行时,燃烧室平均压力高于大气压,为正压排气。 因此可以不考虑烟囱设计位置,一般只要一根较细的管子将烟 气排出室外即可。

（7）除了在启动时需要点火和鼓风外,正常运行时,点火和 进气、排烟不再需要外界能量，可以节约电能。

2.2.2  缺点

（1）噪声大,需要设置消声器或隔声设备。

（2）负荷调节比小。 因为脉冲燃烧器只有在一定的热负荷 范围内才能保持良好的运行和 CO排放量。

（3）燃烧器系统之间耦合性强,任何组件稍有变动，都有可 能导致燃烧器运行不稳定,甚至不能运行。

3  脉冲燃烧器运行的稳定性

脉冲燃烧器与通常的燃气燃烧器相比,其运行稳定性比较 差,因为影响脉冲燃烧器运行的因素很复杂。理论研究和实验 表明,如果脉冲燃烧器能够稳定运行,就要遵守瑞利准则［3］。瑞 利准则指出：如向一 团由活塞所包围的汽缸内振荡着的气体周 期性地加入或取出热量,所产生的效果取决于传热和振荡的相 位关系。若热量在压力最大的瞬间加入,或在压力最低的瞬间 取出,则振荡将会加强；反之若热量在压力最低的瞬间加入,或 在压力最大的瞬间取出,则振荡将被削弱。因此,凡是影响压力 波动和释热率变化之间相位关系的因素,都可能影响到脉冲燃 烧器的稳定运行。这些因素主要包括：

（1）燃烧室、尾管的几何尺寸

当脉冲燃烧器处于稳定运行状态时,燃烧器内处于共振状 态,即脉冲燃烧器的运行频率与气柱共振频率是一致的。

燃烧器的几何尺寸与运行频率密切相关。实验表明,燃烧室容积和尾管的尺寸变化,都会导致运行频率的 变化。例如,当燃烧室和尾管直径尺寸不变时,燃烧器的运行频 率随着尾管长度增加而减小,这与公式反映的关系是一致的。 另外,当燃烧室和尾管长度尺寸不变时,燃烧器的运行频率 随着 尾管直径增加而增大。 因此,对一个能够稳定运行的脉冲燃烧 器,当它的燃烧室、尾管（甚至去耦室）其中某个尺寸的改变,都 会使其运行频率变化而影响它的运行稳定性,甚至可能使其不 能运行。

（2）空气阀、燃气阀的膜片

对于机械阀（“有阀型”）脉冲燃烧器,膜片是可移动部件。 当它的形状和阀间隙一定时,膜片的移动与燃烧室内的压力波  动幅值和频率、膜片的材料、质量等有关。膜片的位移决定了燃  气、空气供给量,如果供给量能使燃烧与系统的共振协调同步, 才能产生稳定的脉冲燃烧,相反,如果削弱和破坏这种共振的同  步,就会影响脉冲燃烧的稳定性。

（3）脉冲燃烧器的热负荷

实验说明,脉冲燃烧器的运行频率随着热负荷的增加而增  大。这一点可从公式（2）中看出。声速 a 与温度 T 密切相关,当  燃烧器热负荷增大时,烟气流的温度也要增加。 因此运行频率  相应增大。实验还表明,随热负荷增加,压力正峰值显著增大, 负峰值基本不变,因此平均压力增大。

（4）燃气的燃烧特性

如果燃气性质发生了改变,或者同一种燃气,而它的空/燃比 发生了变化,都会使燃气的燃烧特性发生改变,这样燃烧过程和 燃烧速度就要变化,因此影响到脉冲燃烧放热和共振波的相位 关系,进而影响到脉冲燃烧的稳定性。例如,当用燃烧速度快的 氢气代替燃烧速度慢的天然气时,脉冲燃烧的频率显著提高。

还有其他影响因素,比如供气压力、燃气孔径、孔数和位置 等等,在此不再详述。

4  脉冲燃烧器的应用

由于脉冲燃烧的复杂性,尽管有许多学者在努力研究,到目 前对脉冲燃烧机理的认识并不十分清楚,因此脉冲燃烧产品的 开发还不得不依赖于反复的实验。根据国外资料,目前已经商 品化的脉冲燃烧产品有美国的 Lennox 公司的热风器,日本 Palma 公司的热水器和蒸汽发生器,以及大孤煤气公司的工业液体加 热器。脉冲燃烧器可以在以下几个方面得到应用［5］：

（1）产生推力

用于推进装置；垂直提升设施；产生扭矩；表面清理及除垢等。

（2）产生压力和泵吸液体

用于抽吸油雾和杀虫剂；燃气轮机燃烧器；烟气再循环装置等。

（3）加热液体

用于采暖；产生蒸气；手提式加热；液体粘度控制；石化工艺等。

（4）间接加热空气

用于汽车采暖；家庭及工业建筑采暖等。

（5）直接加热空气

用于食品、木材、废料等的干燥；果园采暖器；工业炉窑加 热；军用烟雾发生器等。

（6）其他应用

用于冰雪融化；泵；木屑焚烧锅炉；燃料气化炉等。

 5  结语

通过上述可知,影响脉冲燃烧运行的因素很多,既有燃烧器 各部件的几何参数、燃烧的热力条件,也有燃料的燃烧特性,这 给脉冲燃烧器的设计带来一定的困难。然而,它与通常的燃烧 器相比,在高效节能、对环境污染少等方面优点尤为突出。随着 “ 西气东输”等工程的实施,我国燃气事业正在迅速发展。为了 更加有效地利用燃气资源,应该大力开发新型的燃烧技术。相 信,脉冲燃烧产品的研究和开发,必定会有广阔的市场前景。