CN107091745B - 煤层气发电的涡旋引擎效率测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机领域，特别涉及煤层气发电的涡旋引擎效率测试装置及测试方法，送风机通过空气管道连接空气煤层气预混管道的进气端，煤层气引风机通过煤层气管道连接空气煤层气预混管道进气端，空气煤层气预混管道出气端与多孔介质燃烧器连接；多孔介质燃烧器通过高温燃气管道连接蓄热层，蓄热层通过管道连接涡旋发生器的可调式涡旋入口；所述的涡旋发生器上方连接有防风筒，防风筒的顶部连接旋涡出口管道。本发明能够模拟不同煤层气的进气量、不同燃烧温度、不同涡旋出入口尺寸、不同进气速度涡旋引擎内部的流场，为研究涡旋引擎内部的流动特性及规律提供了一种实验方法；该装置功能齐全、操作简单。

Description

煤层气发电的涡旋引擎效率测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及内燃机领域，特别涉及煤层气发电的涡旋引擎效率测试装置及测试方法。

背景技术

煤层气发电是一种高效利用煤层气的方式，得到国家政策的大力扶持。普通活塞式燃气轮发电机组作为煤层气发电的主要设备，存在结构复杂、单机功率大、对煤层气产量及浓度要求较高等明显缺陷。而将涡旋式引擎作为煤层气发电系统的动力装置优点突出，其结构简单，单机功率可调范围更大，对煤层气产量及浓度的适应性更强。因此研究涡旋引擎的效率及其影响因素对合理设计煤层气涡旋引擎发电系统、涡旋引擎结构优化及参数设计等方面都有重大意义。

与龙卷风的生成机理类似，涡旋引擎是一种依靠热气涡旋产生的旋转升力做功的机械装置，如图1所示。基本原理是，当一定温度的热气(水蒸气、燃气或加热的空气，本文的实验部分采用热空气作为流体介质)由狭窄通道上升时，气柱内外的温差将产生沿圆周方向的切向力，使得上升气流强烈旋转，离心力的作用使气柱中心压力急剧降低，周围较冷的空气在此气压作用下向旋转气柱靠近，随即跟着旋转。将产生的涡旋稳定在一个固定容积的腔室(本文称之为涡旋发生器)中时，则外界冷空气只能通过该腔室的入口(本文定义为导流道)进入涡旋产生的低压区域，在腔室入口安装涡轮机，则入口处的高速气流将推动涡轮机旋转，涡轮机带动发电机发电。

目前此项技术仍处于实验探索阶段，世界上仅有少数几个机构在对此进行研究。1981年,德国和西班牙合作在西班牙Manzanares建造了第1座SC示范电厂。1995年顾兆林等提出了一种新型的燃气机——涡旋式发动机，并对其进行了理论研究。1998年，中国工程师陈玉德发明了一套人造龙卷风发电系统，该系统包括中空的柱形风塔、涡轮机及发电机，通过喷射机完成热空气的强制预旋。1999年，加拿大AVEtec能源公司工程师Louis Michaud提出了大气涡旋引擎(Atmospheric Vortex Engine)的概念。2009年，徐海超等对应用于煤矿瓦斯发电的涡旋引擎技术进行了研究综述。专利“涡旋发动机”(申请号：201610463781.7)对涡旋发动机的结构进行了设计，但未说明其效率的测试方法。专利“往复式天然气压缩机组用燃气发动机效率的测量方法”(申请号：201210366322.9)针对的是往复式发动机的效率测试，而往复式引擎和涡旋式引擎的原理完全不同，其测试方法和装置不能为涡旋式引擎所用。

以上文献均停留在涡旋引擎的相关概念和理论研究层面或其他引擎的效率测试上，针对涡旋引擎效率的测试还未见报道，因此建立一种应用于煤层气发电的涡旋引擎效率测试装置及方法对煤层气涡旋引擎发电系统的应用和推广具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于煤层气发电的涡旋引擎效率测试实验装置，该装置可以模拟涡旋引擎中涡旋的形成过程，并可通过测试其流速、流量、压强、引擎尺寸等参数使之反映对内部流场的影响。

本发明的另一目的还在于提供利用上述装置对涡旋引擎效率进行测试的方法，该方法原理可靠，操作简便，结合煤层气发电工程实际，可为涡旋式引擎的结构优化，涡旋式引擎的发电系统的设计及运行参数设计的深入研究提供更为准确可信的数据支持和理论基础，克服现有技术的缺陷和不足。

为达到以上技术目的，本发明采用以下技术方案：

煤层气发电的涡旋引擎效率测试装置，包括送风机、空气煤层气预混管道的进气端、煤层气引风机、多孔介质燃烧器、涡旋发生器、防风筒；

所述的送风机通过空气管道连接空气煤层气预混管道的进气端，空气管道上安装有空气流量调节阀、空气流量计、压力传感器A；

所述的煤层气引风机通过煤层气管道连接空气煤层气预混管道进气端，煤层气管道上安装有煤层气流量调节阀、煤层气流量计、压力传感器D；

所述的空气煤层气预混管道出气端与多孔介质燃烧器连接；

所述的多孔介质燃烧器通过高温燃气管道连接蓄热层，所述的高温燃气管道上安装有压力传感器C；

所述的蓄热层通过管道连接涡旋发生器的可调式涡旋入口；所述的管道上安装有热线风速仪A；

所述的涡旋发生器的可调式涡旋出口依次连接有热线风速仪B、压力传感器B；

所述的涡旋发生器上方连接有防风筒，防风筒下部的观察窗设置有高清摄像机；

所述的防风筒的顶部连接旋涡出口管道，旋涡出口管道上安装有旋涡出口管道调节阀。

利用上述装置对涡旋引擎效率进行测试，测试方法包括以下步骤：

(1)通过煤层气流量计测试煤层气管道的流量Q₁；

(2)通过压力传感器D计测试煤层气管道的压强p₁；

(3)通过压力传感器C测试高温燃气管道的高温燃气的压强，通过热线风速仪A测试高温燃气温度，根据理想气体状态方程可计算其密度ρ；

(4)根据热线风速仪A可测试入口燃气流速v；

将以上数据通过采集系统采集并整理，带入式中计算涡旋引擎效率：

P——煤层气燃烧功率，W；

P_inlet—入口处气体获得的功率，W；

r—涡旋引擎的燃气进口管道半径，0.16m；

p₁——煤层气进口压强，Pa；

T₁——煤层气进口温度(环境温度)，K；

Q₁——煤层气进口流量，m³/s；

T₂——标准状况下，煤层气的温度，293K；

p_2——标准状况下的气体压力，101325Pa；

Q_h——煤层气的标准燃值，34.5964MJ/Nm³。

该涡旋效率测定原理：

涡旋引擎的能量流动可以简化为如下问题。涡旋引擎的总能量输入即煤层气燃烧的发热量，且热量只能向涡旋引擎内部输入；气体入口和防风筒出口是自由能量流通面；涡旋引擎其它外围壁面部分假设为绝热面，意味着，除气体入口和防风筒出口外，其它任何壁面都没有能量与外界交换，将输入热量。则涡旋引擎的能量关系为：

E＝E_inlet+E_lost (1)

则有 P＝P_inlet+P_lost (2)

在此，可将高温燃气视为理想流体，根据能量方程，有

E＝Q＝Pt (3)

E_inlet＝Q_heat+W+E_h (4)

以上各式中：E—从热源输入的热量，J；

E_inlet—入口处气体获得的能量，J；

E_lost—涡旋引擎损失的能量，J；

P——煤层气燃烧功率，W；

P_inlet—入口处气体获得的功率，W；

P_lost—涡旋引擎损失的功率，W；

Q_heat—燃气的内能，Q_heat＝cmΔT，J；

W—气体的动能，J；

E_h—气体的势能，E_h＝ρSt·gH，J。

其中的燃烧功率：

p₁——煤层气进口压强，Pa；

T₁——煤层气进口温度(环境温度)，K；

Q₁——煤层气进口流量，m³/s；

T₂——标准状况下，煤层气的温度，293K；

p_2——标准状况下的气体压力，101325Pa；

Q_h——煤层气的标准燃值，34.5964MJ/Nm³；

在此涡旋引擎系统中，因为燃气进入时温度不变，又燃气在入口处高度不变，又因为在t时间内m＝ρ·S·vt，S＝πr²，故(2)式可简化为：

则总的功率方程为：

涡旋引擎效率：

通过式(8)即可计算涡旋引擎的效率了。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明能够模拟不同煤层气的进气量、不同燃烧温度、不同涡旋出入口尺寸、不同进气速度涡旋引擎内部的流场，结合工程实际，为研究涡旋引擎内部的流动特性及规律提供了一种实验方法；

(2)本发明通过理论推导，借助所测试的参数，提供了一种计算引擎效率的方法；

(3)本发明功能齐全、考虑完善、操作简单，对煤层气发电系统、涡旋引擎设计及结构优化具有重要意义。

附图说明

图1是涡旋引擎平面示意图；

图2是本发明的结构示意图。

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。如图2所示，煤层气发电的涡旋引擎效率测试装置，包括送风机1、空气煤层气预混管道20的进气端、煤层气引风机25、多孔介质燃烧器6、涡旋发生器16、防风筒12；

所述的送风机1通过空气管道5连接空气煤层气预混管道20的进气端，空气管道5上安装有空气流量调节阀2、空气流量计3、压力传感器A4；

所述的煤层气引风机25通过煤层气管道24连接空气煤层气预混管道20进气端，煤层气管道24上安装有煤层气流量调节阀23、煤层气流量计22、压力传感器D21；

所述的空气煤层气预混管道20出气端与多孔介质燃烧器6连接；

所述的多孔介质燃烧器6通过高温燃气管道19连接蓄热层7，所述的高温燃气管道19上安装有压力传感器C18；

所述的蓄热层7通过管道连接涡旋发生器16的可调式涡旋入口17；所述的管道上安装有热线风速仪A8；

所述的涡旋发生器16的可调式涡旋出口15依次连接有热线风速仪B14、压力传感器B13；

所述的涡旋发生器16上方连接有防风筒12，防风筒12下部的观察窗设置有高清摄像机9；

所述的防风筒12的顶部连接旋涡出口管道11，旋涡出口管道11上安装有旋涡出口管道调节阀10。

利用上述装置对涡旋引擎效率进行测试的步骤如下：

(1)通过煤层气流量计22测试煤层气管道24的流量Q₁；

(2)通过压力传感器D21测试煤层气管道24的压强p₁；

(3)通过压力传感器C18测试高温燃气管道19的高温燃气的压强，通过热线风速仪A8测试高温燃气温度，根据理想气体状态方程可计算其密度ρ；

(4)根据热线风速仪A8可测试入口燃气流速v；

将以上数据通过采集系统采集并整理，带入式中计算涡旋引擎效率：

P——煤层气燃烧功率，W；

P_inlet—入口处气体获得的功率，W；

r—涡旋引擎的燃气进口管道半径，0.16m；

p₁——煤层气进口压强，Pa；

T₁——煤层气进口温度(环境温度)，K；

Q₁——煤层气进口流量，m³/s；

T₂——标准状况下，煤层气的温度，293K；

p_2——标准状况下的气体压力，101325Pa；

Q_h——煤层气的标准燃值，34.5964MJ/Nm³。

测试的具体应用举例：

所述的流量计22测试的煤层气管道24的流量Q₁下所对应的所述的通过压力传感器D21测试的煤层气管道24的压强p₁、所述的通过压力传感器C18测试的高温燃气的压强p，所述的通过热线风速仪A8测试的高温燃气的温度T，所述的根据热线风速仪A8测试的入口燃气流速v，其对应的测量数据如表1所示：

表1 测量数据

根据公式8，计算各种工况下的效率为：

表2 涡旋式引擎效率

已经出于解释和说明的目的而提供了对本发明示例性实施例的上述说明。并非意在穷举或将本发明限制于所披露的精确形式。显然，许多修改和变型对于本领域的技术人员来说要成为显而易见的。选择和描述实施例是为了便于更好地理解本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其它技术人员能够理解本发明的各种示例性实施例及适用于特定预期用途的各种变型。其意图在于用前面的权利要求书及其等同内容来限定本发明的范围。

Claims (2)

1.煤层气发电的涡旋引擎效率测试装置，其特征在于，包括空气煤层气预混管道的进气端、煤层气引风机、多孔介质燃烧器、涡旋发生器、防风筒；

送风机通过空气管道连接空气煤层气预混管道的进气端，空气管道上安装有空气流量调节阀、空气流量计、压力传感器A；

所述的煤层气引风机通过煤层气管道连接空气煤层气预混管道进气端，煤层气管道上安装有煤层气流量调节阀、煤层气流量计、压力传感器D；

所述的空气煤层气预混管道出气端与多孔介质燃烧器连接；

所述的多孔介质燃烧器通过高温燃气管道连接蓄热层，所述的高温燃气管道上安装有压力传感器C；

所述的蓄热层通过管道连接涡旋发生器的可调式涡旋入口；所述的管道上安装有热线风速仪A；

所述的涡旋发生器的可调式涡旋出口依次连接有热线风速仪B、压力传感器B；

所述的涡旋发生器上方连接有防风筒，防风筒下部的观察窗设置有高清摄像机；

所述的防风筒的顶部连接旋涡出口管道，旋涡出口管道上安装有旋涡出口管道调节阀。

2.根据权利要求1所述的煤层气发电的涡旋引擎效率测试装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)通过煤层气流量计测试煤层气管道的流量Q₁，Q₁为煤层气进口流量；

(2)通过压力传感器D计测试煤层气管道的压强p₁，p₁为煤层气进口压强；

(3)通过压力传感器C测试高温燃气管道的高温燃气的压强，通过热线风速仪A测试高温燃气温度，根据理想气体状态方程可计算其密度ρ；

(4)根据热线风速仪A可测试入口燃气流速v；

将以上数据通过采集系统采集并整理，带入式中计算涡旋引擎效率：

P——煤层气燃烧功率，W；

P_inlet—入口处气体获得的功率，W；

r—涡旋引擎的燃气进口管道半径，0.16m；

p₁——煤层气进口压强，Pa；

T₁——煤层气进口温度即环境温度，K；

Q₁——煤层气进口流量，m³/s；

T₂——标准状况下，煤层气的温度，293K；

p₂——标准状况下的气体压力，101325Pa；

Q_h——煤层气的标准燃值，34.5964MJ/Nm³。