PDF《制冷炊事兼用生物质成型燃料炉具的设计》

第27 卷 增刊

1 农业工程学报Vol.

27 Supp.1

286 2011 年5月Transactions of the CSAE May.

2011 制冷炊事兼用生物质成型燃料炉具的设计 刘圣勇

1 ,连瑞瑞

1 ,王晓东

2 ,张磊1,梁 盼1(1. 河南农业大学农业部可再生能源重点开放性实验室,郑州 450002;

2. 河南省新密市刘寨镇人民政府,新密 452370) 摘要:为了解决当前农村能源紧缺的问题,依据当前农村普遍生活、炊事习惯和严格的热工计算,设计出农户制冷、 炊事所需要的生物质成型燃料炉具.测试结果为:热效率 40.6%,上火时间

15 min,旺火时间

62 min,炉具达到了国家 的相关标准,符合生物质的燃烧特性,污染物排放量少,燃烧比较稳定,可为制冷系统稳定运行提供能量. 关键词:生物质,机具,设计,生物质成型燃料,农村能源 doi:10.3969/j.issn.1002-6819.2011.z1.055 中图分类号:TK6 文献标志码:A 文章编号:1002-6819(2011)-Supp.1-0286-05 刘圣勇,连瑞瑞,王晓东,等. 制冷炊事兼用生物质成型燃料炉具的设计[J]. 农业工程学报,2011,27(增刊 1):286 -290. Liu Shengyong, Lian Ruirui,Wang Xiaodong, et al. Design of biomass briquette stove for cooling and cooking [J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(Supp.1): 286-290. (in Chinese with English abstract)

0 引言? 世界经济的快速发展,需要消耗大量的能源, 这与化 石能源储量的有限性形成了矛盾,能源问题已成为世界 各国人民面临的最紧迫问题之一;

同时由于环境污染和 温室效应,使得人们对环保的重视程度达到了前所未有 的高度,那些对臭氧层有破坏、 能够产生温室效应的氯氟 烃(CFCs)类制冷剂被人们严格限制使用,寻找氯氟烃 (CFCs) 类制冷剂替代物的问题受到世界各国科学家的高 度关注[1] .氨水吸收式制冷系统由于其可利用低品位能 源制冷,同时制冷工质是环境友好型的氨,既不破坏臭氧 层, 又不产生温室效应,近年来受到国内外研究学者的重 视[2] . 最早的太阳能驱动的氨水吸收式制冷系统在

1960 年 诞生于美国的佛罗里达州,是世界上第一套利用平板集 热器供热的氨水吸收式空调系统 1968~1970 年,加拿大 西蒙特里尔大学(University of Western Ontoria)研制出 了间歇式太阳能驱动的吸收式制冷系统[3-4] .

1978 年, 德国Dornier 公司利用高效热管式集热器,成功研制了小型 太阳能氨水吸收式制冷机[5] ;

1985 年,埃及 Alazhar 大学 研制了一套依靠自然对流驱动溶液循环的太阳能驱动氨 水吸收式制冷机[6] ;

1990 年,美国能源概念公司(Energy Concepts Company)推出的 Isaac 太阳能制冰机[7] 实现了 产品化,其样机采用间歇式制冷方式运行;

2002 年,西 班牙马德里技术大学开发了一台专门用于太阳能制冷的 氨水吸收式制冷机样机[8] . 国外对太阳能驱动的氨水吸收 式制冷系统的研究多集中在上世纪 70~90 年代,且都停 留在理论研究和经济性分析阶段[9-11] .国内对太阳能吸收 收稿日期:2011-01-08 修订日期:2011-03-01 作者简介:刘圣勇(1964-),男,汉族,博士,教授,博士生导师,从事 生物质能转化利用方面的研究. 郑州 河南农业大学机电工程学院, 450002. Email:liushy@vip.sina.com 式制冷的研究相对较多,但对生物质能驱动的氨水吸收 式制冷系统的研究报道较少,对太阳能和生物质联合吸 收式制冷系统的研究基本上没有相关报道. 利用太阳能和生物质能联合驱动制冷机运行,不仅 有效地节约了能源,拓宽了太阳能和生物质能的利用领 域, 而且有利于环境保护.对该系统中的生物质炉具进行 设计, 从而使其能够满足制冷装置的需要,持续稳定地为 制冷装置提供能量.

1 生物质炉具主要设计参数的确定 1.1 炉具热负荷的确定 设计一个和吸收式制冷机相匹配的炉具,是一个重 要的研究内容.只有做到了炉具与制冷机性匹配,才能持 续稳定地为制冷系统提供能量.炉具热负荷的确定是设 计炉具的关键,热负荷的大小直接影响到制冷系统的性 能、 制冷系数以及系统的稳定性. 选定制冷机组的功率是

260 W,每小时耗能为 9.36*105 J(即936 kJ),对于炉 具来说,它提供的只是蒸汽的热量,而蒸汽经过换热器传 递给制冷机组的发生器时存在一定的热损失,我们根据 经验蒸汽传热的效率约为 0.75. 因此,设计的炉具需要达 到与制冷机组的优化配置,才能保证制冷系统的稳定性. 1)炉具需要提供给制冷机组的热负荷为

2 1 ? ? ? ? Q Qs (1) 式中,Q 为制冷机组需要的热负荷,kJ/h;

QS 为炉具需要 提供给制冷机组的热负荷,kJ/h;

η

1 为蒸汽的传热效率, %;

η

2 为蒸汽由炉具到加热器的传热效率,%. 将已知数据 Q=936 kJ,η 1=0.75,η 2=0.95,代入(1) 式,可得出 QS≈1

314 kJ/h. 2)炉具需提供给制冷机的实际蒸汽量 r Q q s ms ? (2) 增刊

1 刘圣勇等:制冷炊事兼用生物质成型燃料炉具的设计

287 式中, r 为水的汽化潜热,J/kg. 将已知数据代入(2)式,可得出 qms=0.595 kg/h.为 保证制冷机正常工作,选取蒸汽的流量为 0.6 kg/h. 3)在设计炉具时还要考虑炉具的炊事用热. 据资料显示, 中国农村以五口之家为例, 要维持起码 的生活水平,平均每人每天的所需的热量为

11 880 kJ, 每顿饭的做饭时间为

2 h,每天做饭

3 次[9] ,因此每天所 需的热量为

59 400 kJ;

设计的生物质燃料炉具的设计热 效率为 40%. ? n q Q ? ?

1 (3) 式中,τ为每天的做饭时间,h/d. 将已知数据代入(3)式,可得出 Q1=9

900 kJ/h.因此,炉具的总热负荷为

11 214 kJ/h. 1.2 炉具水套容积的确定 制冷系统正常工作的前提是要有持续不断的蒸汽给 它提供能量,而水套容积的大小直接影响着炉具能否持 续的产生蒸汽.根据已有炉具的设计经验,炉具水套内水 的充灌量在 3~6 kg,由于本制冷系统功率较小(仅260 W),从水套内产生的蒸汽量约为 0.6 kg/h,故热管 炉具水套中水的充灌量取 4.5 kg 为宜, 依据水的量确定水 套容积,4 kg 水所占的体积 Vs=0.0045 m3 ,水套预留 10% 的空间,最终炉具水套的体积为 %)

10 1 ( ? ? s st V V (4) 式中,Vst 为炉具水套的体积,m3 ;

Vs 为水的体积,m3 . 将已知数据代入(4)式,可得出 Vst=0.005 m3 . 1.3 燃料消耗量的确定 在确定了炉具的燃料和炉具的热负荷之后,就要确 定燃料的消耗量[12] .试验用的玉米秸秆成型燃料的热值 qnet,ar 约为

14 890 kJ/kg.在不进行炊事时,燃料的消耗量 为3,1???ar net s q Q m (5) 式中:qnet,ar 为燃料的热值,kJ/kg;

Qs 为每日炊事所需的 热量,kJ/d;

η

3 为炉具的设计热效率,%. 将已知的数据代入(5)得炉具燃料的消耗量为 m1≈0.221 kg/h. 在炊事时燃料消耗量为:

3 ,

1 ? ? ? ? ar net s q Q Q m (6) 将已知的数据代入(6)得炉具燃料的消耗量为 m≈1.883 kg/h,燃料的消耗量为炉膛参数的确定提供参考 依据. 1.4 炉膛参数的确定 炉膛(燃烧室)是指从炉篦到炉口之间的部分,燃料 在这里充分燃烧.炉膛参数主要包括炉膛容积热负荷和 炉排热负荷,恰当选择炉膛参数是燃料完全燃烧的根本 保证[13] . 1.4.1 炉膛容积 炉膛容积热负荷决定炉膛容积的大小,即在单位炉 膛容积内燃料每小时燃烧释放热量的大小.炉膛容积大 小的确定可按下式计算 max

1 , q q m V ar net lt ? ? ? ? (7) 式中, Vlt 为炉膛容积, m3 ;

m 为炉具每小时燃料的消耗量, kg/h;

qmax 为燃烧室的最大容积热负荷,kJ/h・ m3 . 据统计,容积热负荷一般在

25 000~40

000 J/h・ m3 , 根据炉具燃烧室容积的设计经验, 取容积热负荷为

30 000 J/h・ m3 ,代入(7)式可得 Vlt 是0.020 m3 .中国五口之家 所用的燃煤炉具的炉膛容积一般是在 0.015~0.025 m3 之间[10] .计算得出的炉膛容积在此之间,证明选取的容积 热负荷合理. 本文设计的炉具炉口直径为 D=12 cm, 这是 农用煤炉炉口的常用尺寸. 1.4.2 炉排总面积及炉篦 1)炉排的面积实际上是指炉具炉膛的下部,炉膛容 积上部已经确定, 而且炉膛形状是圆台,可以利用圆台的 体积公式得出炉膛下部圆的半径,从而得出炉排的面积.

2 2 ( ) lt V h r rR R ? ? ? ? (8) 式中,Vlt 为炉膛的容积,m3 ;

h 为炉膛高度,m;

r,R 分别 为炉膛的上炉口半径和炉膛底部半径,m. 由(8)式可以得到一个关于 R 的关联式,将已知数 据(炉膛的容积为 Vlt=0.035 m3 ,高度为 h=0.35 m,上炉 口半径为 r=0.0 6m)代入(8)式,通过解方程可以得到 炉膛底部圆的半径 R≈0.16 m. 则炉排的总面积为:

2 S R ? ?? (9) 将已知的数据代入 (9) 式得炉排的总面积 S≈0.08 m2 2)炉排的热负荷可按下式计算 S q m q lp ar net lp ? ? ? ? , (10) 将已知数据代入(10)式得炉排热负荷 qlp≈140

189 kW/m2 . 3)炉篦 炉篦安装在炉膛的下部,起支撑燃料及通风助燃的 作用. 空气从其空隙进入炉膛, 在炉膛内与燃料充分混合, 有助于燃料的燃烧[14] ,空气与燃料的接触面积的大小由 炉篦空隙的大小决定,因此炉篦面积的大小直接影响燃 料燃烧的效果,面积过大或者过小都将影响燃烧效果.根 据有关文献关于炉排的设计参数及本实验室的设计经 验, 将炉篦的面积定为炉排总面积的一半,即炉篦的面积 为S'

=S/2 (11) 将已知数据代入(11)式得 S'

=0.04 m2 1.4.3 吊火高度 吊火高度是指炉排与锅底之间的距离.查文献[11] , 可知当吊火高度为

30 cm 左右时, 火焰温度较高处与接触 锅底,炉具的作用主要是加热水套为制冷系统提供热量, 为使高温火焰能较好的加热水套内的水,将吊火高度定 为30 cm. 农业工程学报

2011 年288 1.5 烟囱参数的确定 烟囱的主要作用是将空气从进风口抽入炉膛,使燃 料和空气充分接触,使其尽量能够完全燃烧, 同时将炉膛 内的烟尘抽出.无论燃用何种生物质燃料,烟囱都会对燃 烧效果产生很大的影响. 1)烟囱的高度的确定可按下式计算 )

1 1 (

27 .

29 2

1 0

1 T T P P L ? ? (12) 式中,L 为烟囱的高度,m;

P0 为当地的大气压,Pa;

P1 为炉具的吸风压力,Pa;

T1 为当地的环境温度,K;

T2 为 为烟囱内的平均温度,K. 当地大气压取

101 323.2 Pa,炉具的吸风抽力根据经 验取 15.5 Pa.环境温度为

293 K(20℃),烟囱内的平均 温度 T2 为473 K(200℃),将数据代入(12)式得到烟 囱高度 L=2.41 m. 2)烟囱截面积可按下式计算

273 3600 )

273 ( ? ? ? ? ? ? y y y W t V m F (13) 式中,F 为烟囱截面积,m2 ;

Vy 为单位时间、单位燃料产 生的烟气量,m3 /kg・ h;

Wy 为烟气流速,m/s. 烟气流速按 1.5 m/s 计算,得出 F 为24.9 cm2 ,采用 圆形烟囱,其直径为 5.64 cm.炉具其他部分的设计可参 照此文献[15]进行. 表1炉具主要设计参数 Table

1 Main design parameters of stove 项目 符号 计算或数据来源 数值 热效率/% η l 设定

40 炉具热负荷/(kJ・ h-1 ) Q1 公式(3)

11 214 水套容积/m3 Vst 公式(4) 0.005 燃料消耗量/(kg・ h-1 ) M 公式(6) 1.883 炉膛容积/m3 Vlt 公式(7) 0.020 吊火高度 cm H 文献[9]

30 炉排总面积 m2 S 公式(9) 0.08 炉排面积热负荷/(kw・ m-2 ) qlp 公式(10)

140 189 炉篦总面积/ m2 S'

公式(11) 0.04 烟囱高度/m L 公式(12) 2.41 烟囱截面积/m2 F 公式(13) 24.9 经过计算,设计出所需炉具的结构示意图如图

1 所示. 单位:mm 图1炉具的结构简图 Fig.1 Structural diagram of the stove

2 生物质成型燃料炉具性能的测试 2.1 试验方法、仪器和条件 1)根据 GB6412-1986 家庭用煤及炉具试验方法和 NY/T8-2006 民用炉灶热性能试验方法,对设计的生物 质成型燃料炉具进行试验,本文采用试验方法为一次使 用(不封火). 2)测试用仪器仪表:温度计(测量范围 0~150℃, 分度值 0.2℃);

排气烟度计(FQD-102 型);

热电偶及 高温计;

EU-2(BL-2),配套高温计;

表面温度计:0~ 300℃,分度值 2℃;

时钟(日差小于

1 min);

台秤(测 量范围 0~10 kg,感量

5 g);

小磅秤:50 Kg,感量

25 g;

干、湿球温度计;

普朗特气体取样器;

KM9106 综合烟气 分析仪;

风速计(0~10 m/................