本發(fā)明涉及內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域，特別涉及煤層氣發(fā)電的渦旋引擎效率測試裝置及測試方法。

背景技術(shù)：

煤層氣發(fā)電是一種高效利用煤層氣的方式，得到國家政策的大力扶持。普通活塞式燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組作為煤層氣發(fā)電的主要設(shè)備，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、單機(jī)功率大、對煤層氣產(chǎn)量及濃度要求較高等明顯缺陷。而將渦旋式引擎作為煤層氣發(fā)電系統(tǒng)的動力裝置優(yōu)點突出，其結(jié)構(gòu)簡單，單機(jī)功率可調(diào)范圍更大，對煤層氣產(chǎn)量及濃度的適應(yīng)性更強(qiáng)。因此研究渦旋引擎的效率及其影響因素對合理設(shè)計煤層氣渦旋引擎發(fā)電系統(tǒng)、渦旋引擎結(jié)構(gòu)優(yōu)化及參數(shù)設(shè)計等方面都有重大意義。

與龍卷風(fēng)的生成機(jī)理類似，渦旋引擎是一種依靠熱氣渦旋產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)升力做功的機(jī)械裝置，如圖1所示。基本原理是，當(dāng)一定溫度的熱氣(水蒸氣、燃?xì)饣蚣訜岬目諝?，本文的實驗部分采用熱空氣作為流體介質(zhì))由狹窄通道上升時，氣柱內(nèi)外的溫差將產(chǎn)生沿圓周方向的切向力，使得上升氣流強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)，離心力的作用使氣柱中心壓力急劇降低，周圍較冷的空氣在此氣壓作用下向旋轉(zhuǎn)氣柱靠近，隨即跟著旋轉(zhuǎn)。將產(chǎn)生的渦旋穩(wěn)定在一個固定容積的腔室(本文稱之為渦旋發(fā)生器)中時，則外界冷空氣只能通過該腔室的入口(本文定義為導(dǎo)流道)進(jìn)入渦旋產(chǎn)生的低壓區(qū)域，在腔室入口安裝渦輪機(jī)，則入口處的高速氣流將推動渦輪機(jī)旋轉(zhuǎn)，渦輪機(jī)帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。

目前此項技術(shù)仍處于實驗探索階段，世界上僅有少數(shù)幾個機(jī)構(gòu)在對此進(jìn)行研究。1981年,德國和西班牙合作在西班牙m(xù)anzanares建造了第1座sc示范電廠。1995年顧兆林等提出了一種新型的燃?xì)鈾C(jī)——渦旋式發(fā)動機(jī)，并對其進(jìn)行了理論研究。1998年，中國工程師陳玉德發(fā)明了一套人造龍卷風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括中空的柱形風(fēng)塔、渦輪機(jī)及發(fā)電機(jī)，通過噴射機(jī)完成熱空氣的強(qiáng)制預(yù)旋。1999年，加拿大avetec能源公司工程師louismichaud提出了大氣渦旋引擎(atmosphericvortexengine)的概念。2009年，徐海超等對應(yīng)用于煤礦瓦斯發(fā)電的渦旋引擎技術(shù)進(jìn)行了研究綜述。專利“渦旋發(fā)動機(jī)”(申請?zhí)枺?01610463781.7)對渦旋發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計，但未說明其效率的測試方法。專利“往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)組用燃?xì)獍l(fā)動機(jī)效率的測量方法”(申請?zhí)枺?01210366322.9)針對的是往復(fù)式發(fā)動機(jī)的效率測試，而往復(fù)式引擎和渦旋式引擎的原理完全不同，其測試方法和裝置不能為渦旋式引擎所用。

以上文獻(xiàn)均停留在渦旋引擎的相關(guān)概念和理論研究層面或其他引擎的效率測試上，針對渦旋引擎效率的測試還未見報道，因此建立一種應(yīng)用于煤層氣發(fā)電的渦旋引擎效率測試裝置及方法對煤層氣渦旋引擎發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用和推廣具有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種應(yīng)用于煤層氣發(fā)電的渦旋引擎效率測試實驗裝置，該裝置可以模擬渦旋引擎中渦旋的形成過程，并可通過測試其流速、流量、壓強(qiáng)、引擎尺寸等參數(shù)使之反映對內(nèi)部流場的影響。

本發(fā)明的另一目的還在于提供利用上述裝置對渦旋引擎效率進(jìn)行測試的方法，該方法原理可靠，操作簡便，結(jié)合煤層氣發(fā)電工程實際，可為渦旋式引擎的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，渦旋式引擎的發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計及運行參數(shù)設(shè)計的深入研究提供更為準(zhǔn)確可信的數(shù)據(jù)支持和理論基礎(chǔ)，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足。

為達(dá)到以上技術(shù)目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

煤層氣發(fā)電的渦旋引擎效率測試裝置，包括送風(fēng)機(jī)、空氣煤層氣預(yù)混管道的進(jìn)氣端、煤層氣引風(fēng)機(jī)、多孔介質(zhì)燃燒器、渦旋發(fā)生器、防風(fēng)筒；

所述的送風(fēng)機(jī)通過空氣管道連接空氣煤層氣預(yù)混管道的進(jìn)氣端，空氣管道上安裝有空氣流量調(diào)節(jié)閥、空氣流量計、壓力傳感器a；

所述的煤層氣引風(fēng)機(jī)通過煤層氣管道連接空氣煤層氣預(yù)混管道進(jìn)氣端，煤層氣管道上安裝有煤層氣流量調(diào)節(jié)閥、煤層氣流量計、壓力傳感器d；

所述的空氣煤層氣預(yù)混管道出氣端與多孔介質(zhì)燃燒器連接；

所述的多孔介質(zhì)燃燒器通過高溫燃?xì)夤艿肋B接蓄熱層，所述的高溫燃?xì)夤艿郎习惭b有壓力傳感器c；

所述的蓄熱層通過管道連接渦旋發(fā)生器的可調(diào)式渦旋入口；所述的管道上安裝有熱線風(fēng)速儀a；

所述的渦旋發(fā)生器的可調(diào)式渦旋出口依次連接有熱線風(fēng)速儀b、壓力傳感器b；

所述的渦旋發(fā)生器上方連接有防風(fēng)筒，防風(fēng)筒下部的觀察窗設(shè)置有高清攝像機(jī)；

所述的防風(fēng)筒的頂部連接旋渦出口管道，旋渦出口管道上安裝有旋渦出口管道調(diào)節(jié)閥。

利用上述裝置對渦旋引擎效率進(jìn)行測試，測試方法包括以下步驟：

(1)通過煤層氣流量計測試煤層氣管道的流量q1；

(2)通過壓力傳感器d計測試煤層氣管道的壓強(qiáng)p1；

(3)通過壓力傳感器c測試高溫燃?xì)夤艿赖母邷厝細(xì)獾膲簭?qiáng)，通過熱線風(fēng)速儀a測試高溫燃?xì)鉁囟?，根?jù)理想氣體狀態(tài)方程可計算其密度ρ；

(4)根據(jù)熱線風(fēng)速儀a可測試入口燃?xì)饬魉賤；

將以上數(shù)據(jù)通過采集系統(tǒng)采集并整理，帶入式中計算渦旋引擎效率：

p——煤層氣燃燒功率，w；

pinlet—入口處氣體獲得的功率，w；

r—渦旋引擎的燃?xì)膺M(jìn)口管道半徑，0.16m；

p1——煤層氣進(jìn)口壓強(qiáng)，pa；

t1——煤層氣進(jìn)口溫度(環(huán)境溫度)，k；

q1——煤層氣進(jìn)口流量，m³/s；

t2——標(biāo)準(zhǔn)狀況下，煤層氣的溫度，293k；

p2——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體壓力，101325pa；

qh——煤層氣的標(biāo)準(zhǔn)燃值，34.5964mj/nm³。

該渦旋效率測定原理：

渦旋引擎的能量流動可以簡化為如下問題。渦旋引擎的總能量輸入即煤層氣燃燒的發(fā)熱量，且熱量只能向渦旋引擎內(nèi)部輸入；氣體入口和防風(fēng)筒出口是自由能量流通面；渦旋引擎其它外圍壁面部分假設(shè)為絕熱面，意味著，除氣體入口和防風(fēng)筒出口外，其它任何壁面都沒有能量與外界交換，將輸入熱量。則渦旋引擎的能量關(guān)系為：

e＝einlet+elost(1)

則有p＝pinlet+plost(2)

在此，可將高溫燃?xì)庖暈槔硐肓黧w，根據(jù)能量方程，有

e＝q＝pt(3)

einlet＝qheat+w+eh(4)

以上各式中：e—從熱源輸入的熱量，j；

einlet—入口處氣體獲得的能量，j；

elost—渦旋引擎損失的能量，j；

p——煤層氣燃燒功率，w；

pinlet—入口處氣體獲得的功率，w；

plost—渦旋引擎損失的功率，w；

qheat—燃?xì)獾膬?nèi)能，qheat＝cmδt，j；

w—氣體的動能，j；

eh—氣體的勢能，eh＝ρst·gh，j。

其中的燃燒功率：

p1——煤層氣進(jìn)口壓強(qiáng)，pa；

t1——煤層氣進(jìn)口溫度(環(huán)境溫度)，k；

q1——煤層氣進(jìn)口流量，m³/s；

t2——標(biāo)準(zhǔn)狀況下，煤層氣的溫度，293k；

p2——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體壓力，101325pa；

qh——煤層氣的標(biāo)準(zhǔn)燃值，34.5964mj/nm³；

在此渦旋引擎系統(tǒng)中，因為燃?xì)膺M(jìn)入時溫度不變，又燃?xì)庠谌肟谔幐叨炔蛔?，又因為在t時間內(nèi)m＝ρ·s·vt，s＝πr²，故(2)式可簡化為：

則總的功率方程為：

渦旋引擎效率：

通過式(8)即可計算渦旋引擎的效率了。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：

(1)本發(fā)明能夠模擬不同煤層氣的進(jìn)氣量、不同燃燒溫度、不同渦旋出入口尺寸、不同進(jìn)氣速度渦旋引擎內(nèi)部的流場，結(jié)合工程實際，為研究渦旋引擎內(nèi)部的流動特性及規(guī)律提供了一種實驗方法；

(2)本發(fā)明通過理論推導(dǎo)，借助所測試的參數(shù)，提供了一種計算引擎效率的方法；

(3)本發(fā)明功能齊全、考慮完善、操作簡單，對煤層氣發(fā)電系統(tǒng)、渦旋引擎設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有重要意義。

附圖說明

圖1是渦旋引擎平面示意圖；

圖2是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

結(jié)合附圖說明本發(fā)明的具體實施方式。如圖2所示，煤層氣發(fā)電的渦旋引擎效率測試裝置，包括送風(fēng)機(jī)1、空氣煤層氣預(yù)混管道20的進(jìn)氣端、煤層氣引風(fēng)機(jī)25、多孔介質(zhì)燃燒器6、渦旋發(fā)生器16、防風(fēng)筒12；

所述的送風(fēng)機(jī)1通過空氣管道5連接空氣煤層氣預(yù)混管道20的進(jìn)氣端，空氣管道5上安裝有空氣流量調(diào)節(jié)閥2、空氣流量計3、壓力傳感器a4；

所述的煤層氣引風(fēng)機(jī)25通過煤層氣管道24連接空氣煤層氣預(yù)混管道20進(jìn)氣端，煤層氣管道24上安裝有煤層氣流量調(diào)節(jié)閥23、煤層氣流量計22、壓力傳感器d21；

所述的空氣煤層氣預(yù)混管道20出氣端與多孔介質(zhì)燃燒器6連接；

所述的多孔介質(zhì)燃燒器6通過高溫燃?xì)夤艿?9連接蓄熱層7，所述的高溫燃?xì)夤艿?9上安裝有壓力傳感器c18；

所述的蓄熱層7通過管道連接渦旋發(fā)生器16的可調(diào)式渦旋入口17；所述的管道上安裝有熱線風(fēng)速儀a8；

所述的渦旋發(fā)生器16的可調(diào)式渦旋出口15依次連接有熱線風(fēng)速儀b14、壓力傳感器b13；

所述的渦旋發(fā)生器16上方連接有防風(fēng)筒12，防風(fēng)筒12下部的觀察窗設(shè)置有高清攝像機(jī)9；

所述的防風(fēng)筒12的頂部連接旋渦出口管道11，旋渦出口管道11上安裝有旋渦出口管道調(diào)節(jié)閥10。

利用上述裝置對渦旋引擎效率進(jìn)行測試的步驟如下：

(1)通過煤層氣流量計22測試煤層氣管道24的流量q1；

(2)通過壓力傳感器d21測試煤層氣管道24的壓強(qiáng)p1；

(3)通過壓力傳感器c18測試高溫燃?xì)夤艿?9的高溫燃?xì)獾膲簭?qiáng)，通過熱線風(fēng)速儀a8測試高溫燃?xì)鉁囟?，根?jù)理想氣體狀態(tài)方程可計算其密度ρ；

(4)根據(jù)熱線風(fēng)速儀a8可測試入口燃?xì)饬魉賤；

將以上數(shù)據(jù)通過采集系統(tǒng)采集并整理，帶入式中計算渦旋引擎效率：

p——煤層氣燃燒功率，w；

pinlet—入口處氣體獲得的功率，w；

r—渦旋引擎的燃?xì)膺M(jìn)口管道半徑，0.16m；

p1——煤層氣進(jìn)口壓強(qiáng)，pa；

t1——煤層氣進(jìn)口溫度(環(huán)境溫度)，k；

q1——煤層氣進(jìn)口流量，m³/s；

t2——標(biāo)準(zhǔn)狀況下，煤層氣的溫度，293k；

p2——標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體壓力，101325pa；

qh——煤層氣的標(biāo)準(zhǔn)燃值，34.5964mj/nm³。

測試的具體應(yīng)用舉例：

所述的流量計22測試的煤層氣管道24的流量q1下所對應(yīng)的所述的通過壓力傳感器d21測試的煤層氣管道24的壓強(qiáng)p1、所述的通過壓力傳感器c18測試的高溫燃?xì)獾膲簭?qiáng)p，所述的通過熱線風(fēng)速儀a8測試的高溫燃?xì)獾臏囟萾，所述的根據(jù)熱線風(fēng)速儀a8測試的入口燃?xì)饬魉賤，其對應(yīng)的測量數(shù)據(jù)如表1所示：

表1測量數(shù)據(jù)

根據(jù)公式8，計算各種工況下的效率為：

表2渦旋式引擎效率

已經(jīng)出于解釋和說明的目的而提供了對本發(fā)明示例性實施例的上述說明。并非意在窮舉或?qū)⒈景l(fā)明限制于所披露的精確形式。顯然，許多修改和變型對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說要成為顯而易見的。選擇和描述實施例是為了便于更好地理解本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其它技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種示例性實施例及適用于特定預(yù)期用途的各種變型。其意圖在于用前面的權(quán)利要求書及其等同內(nèi)容來限定本發(fā)明的范圍。