Development and Test of Combustion Chamber for Stirling Engine Heated by Natural Gas
LI Tie1, SONG Xiange2, GUI Xiaohong1*, TANG Dawei1, LI Zhigang1, CAO Wenyu1
1. Institute of Engineering Thermophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
2. Beijing International Studies University, Beijing 100024, China
copy; Science Press and Institute of Engineering Thermophysics, CAS and Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2014
The combustion chamber is an important component for the Stirling engine heated by natural gas. In the paper, we develop a combustion chamber for the Stirling engine which aims to generate 3~5 kWe electric power. The combustion chamber includes three main components: combustion module, heat exchange cavity and thermal head. Its feature is that the structure can divide “combustion” process and “heat transfer” process into two apparent individual steps and make them happen one by one. Since natural gas can mix with air fully before burning, the combustion process can be easily completed without the second wind. The flame can avoid contacting the thermal head of Stirling engine, and the temperature fields can be easily controlled. The designed combustion chamber is manufactured and its performance is tested by an experiment which includes two steps. The experimental result of the first step proves that the mixture of air and natural gas can be easily ignited and the flame burns stably. In the second step of experiment, the combustion heat flux can reach 20 kW, and the energy utilization efficiency of thermal head has exceeded 0.5. These test results show that the thermal performance of combustion chamber has reached the design goal. The designed combustion chamber can be applied to a real Stirling engine heated by natural gas which is to generate 3~5 kWe electric power.
Keywords: Combustion Chamber; Natural Gas; Stirling Engine; Designing; Performance Test
Introduction
There are two apparent advantages in the distributed energy systems which use natural gas as heat source: 1. less contaminants are emitted during the working process, because the main products of natural gas combustion process are H2O and CO2; 2.The reserves of natural gas are abundant on the earth, and ca be used in a longer time than petroleum and coal. The Stirling engine is one kind of engines which are externally heated and can be easily drive by natural gas combustion. The systems used with Stirling engine and driven by natural gas have already appeared, just like Cleanergyrsquo;s V-161 Stirling engine CHP (Combined Heat and Power) system and so on [1-5]. The Stirling engine CHP system would be widely applied due to its characters of low noise, long maintenance cycle and high reliability [6-7]. In the Stirling engine CHP system driven by natural gas mentioned above, the combustion chamber is a key component, because the combustion performance is directly related to the life of heater and the performance of Stirling engine [8]. Actually, the combustion chambers can be divided into two types according to the mixing way of air and natural gas: one type is the diffusion combustion chamber and the other type is the premixing combustion chamber. As we know, most Stirling engines use diffusion combustion chamber because of its simple structure. And the processes of combustion and heat transfer happen in the same space. Although the diffusion combustion chamber has a relatively simple structure and low cost, the flame is so long that it may instantaneously overheat the heater tubes of Stirling engine. In addition, the second wind is needed to ensure the combustion process can be nearly completed. So it is not easy to control the temperature around the wall of heater tubes.If the combustion chamber is a fully premixing structure,the combustion efficiency will be higher and the flame will be shorter, but the manufacturing cost must be higher because of the complicated premixing structure, and the temperature around the wall of heater tubes is still not easy to be controlled.
In this paper, we aim to develop a combustion chamber for Stirling engine which uses natural gas as heat source. We try to design a combustion chamber which has advantages of both diffusion and premixing. The combustion chamber has a feature that air and natural gas mixed before they are burned. The thermal performance of combustion chamber is tested by an experiment which includes two steps. In the experiment, we will find whether the combustion process can be easily completed
without the second wind and the flame can avoid contacting thermal head. The designed combustion chamber aims to be applied to Stirling engine which can generate 3~5 kWe electric power.
Design of Combustion Chamber
In fact, there are two processes that actually happen in combustion chamber of Stirling engine: the fuels combustion and heat transfers at the heater tubes of Stirling engine. We can call two processes “combustion”and“heat transfer” separately for short. In some diffusion combustion chambers which are already used for Cleanergyrsquo;s V-161 and STMrsquo;s 4-120 Stirling engines, the “combustion” process and the “heat transfer” process actually happen simultaneously in the same space [9-11], so that the flame may contact heater tubes, the hot spots can appear on the wall of heater tubes at any time, and the temperature is hard to control around the heater tubes of Stirling engine in the combustion chamber. So if we can divide the “combustion” process and“heat transfer”process into two apparent steps and make them happen one by one, the flame may avoid contacting the heater tubes so that the hot spot canrsquo;t appear, and the temperature across combustion chamber can be easily controlled. This is our designing concept to develop the combustion chamber. The combustion chamber that
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天然气加热斯特林发动机燃烧室的研制与试验
- 工程热物理研究所，中国科学院，北京100190，中国
- 北京外国语大学，北京100024，中国
copy;科学出版社及工程热物理研究所，中科院和施普林格出版社柏林2014年海德堡
燃烧室是天然气加热斯特林发动机的重要组成部分。在本文中，我们开发了斯特林发动机旨在产生3〜5千瓦电力的燃烧室。燃烧室包括三个主要组件：燃烧模块，热交换腔和热头。其特点是，该结构可以将“燃烧”过程和“热转移”过程分成两个明显的各个步骤，并使其发生一个接一个。因为天然气在燃烧之前能够充分混合空气，燃烧过程可以很容易地完成，没有二次风。火焰可以避免接触斯特林发动机的热头，并且可以很容易地控制温度场。所设计的燃烧室的制造和性能进行了测试，其中包括2个步骤的实验。第一步骤的实验结果证明，空气和天然气的混合物可以很容易地点燃和火焰稳定地燃烧。在实验的第二步骤中，燃烧热通量可以达到20千瓦，以及热头的能量利用效率超过了0.5。这些试验结果表明，燃烧室内的热性能已达到设计目标。所设计的燃烧室可以应用于由是产生3〜5kWe电力天然气加热的实际的斯特林发动机。
关键词：燃烧室; 天然气;斯特林发动机;设计; 性能测试
介绍
有些情况下，使用天然气作为热源的分布式能源系统的两个明显的优势：1。更少的污染物在工作过程中发出的，因为天然气燃烧过程的主要产品是H2O和CO2;2、天然气储量丰富，并且可以在比石油和煤较长时间使用。斯特林发动机是一种外部加热的发动机，可以很容易地驱动天然气燃烧。与斯特林发动机使用和天然气驱动的系统已经出现，就像清能V161斯特林发动机热电联产（热电联产）系统等[1-5]。斯特林内燃机热电联产系统将得到广泛应用，由于其低噪声的特点，检修周期长、可靠性高[6-7]。在通过上述天然气驱动斯特林发动机热电联供系统，燃烧室是一个关键部件，因为其燃烧性能直接相关加热器的寿命和斯特林发动机的性能[8]。实际上，燃烧室可分为根据空气和天然气的混合方式两种类型：一种类型是扩散燃烧室和；另一种类型的预混合燃烧室。正如我们所知，大多数斯特林发动机使用扩散燃烧室，因为它的简单结构体。燃烧和传热的处理发生在同一个空间。虽然扩散燃烧室具有相对简单的结构和低成本，火焰很强，所以它可能瞬时过热斯特林发动机的加热器管。此外，还需要第二次风，以确保燃烧过程能接近完成。因此，它是不容易控制周围加热器管的壁的温度。如果燃烧室是完全预混合结构，燃烧效率将更高，火焰将会缩短，但制造成本必须因为复杂预混合结构的要高，并围绕加热器管的壁的温度仍然是不容易被控制。在本文中，我们的目标是开发，它使用天然气作为热源斯特林发动机的燃烧室。我们尝试设计具有扩散和预混的优点的燃烧室。燃烧室具有它们燃烧之前空气和天然气混合的特征。燃烧室的热性能是通过实验，其包括两个步骤进行测试。在实验中，我们会发现是否燃烧过程可以在没有第二风很容易地完成，火焰能够避免热头接触。所设计的燃烧室旨在应用于斯特林发动机可以产生3〜5千瓦的电力。
燃烧室的设计
事实上，有2个过程，实际上发生在斯特灵发动机燃烧室：燃料燃烧和热传递的斯特林发动机的加热器管。我们可以把两个进程“燃烧”和“热传递”单独的简称。在其中已用于清能的一些扩散燃烧室V-161和STM4-120斯特林发动机中，“燃烧”过程和“热转移”过程实际上是在同一空间[9-11]同时发生，以便
火焰可接触加热器管中，过热点可以在任何时间上加热器管的壁上出现，而该温度是很难斯特林发动机的燃烧室中的加热管周围控制。因此，如果我们可以把“燃烧”过程和“热转移”过程分成两个明显的步骤，使它们由一个发生的，火焰可能避免使得热点不能出现接触加热器管，将温度在整个燃烧室可以容易地控制。这是我们的设计理念，开发燃烧室。
我们为斯特林发动机设计燃烧室是由天然气加热包括三个主要部分：燃烧模块，热交换腔和斯特林发动机的热头。上述过程中所提及的“燃烧”过程只发生在燃烧模块。燃烧后的热废气喷雾热交换腔以加热斯特林发动机的热头，其中由热交换腔和斯特林发动机的热头的一个封闭的空间，所以上述的“热转移”过程只能在此发生。该结构可以实现我们的设计理念是到“燃烧”过程和“热转移”过程分成两个明显的步骤，并让它们发生一个接一个。该设计的细节进行说明
下面。我们设计的结构，如图所示，1.燃烧模块组装在热交换腔室的顶部，并且斯特林发动机的热打印头被组装在热交换腔的底部。换热腔中的空气预热层。燃烧模块包括天然气进气管和火花塞（图2A）是用来点燃天然气和空气的混合物。在旋流器的底部有八个喷孔，从天然气喷射到其对应的旋流器通道（图2B）。旋流器是拿火焰稳定的关键组成部分。旋流器是保持火焰稳定的关键部分。在火焰筒的壁膜孔（图2e）可以产生气膜冷却火焰筒的壁。空气混合孔允许一些未燃烧的空气混合进入燃烧后产生的废气，让废气的温度降低到900〜1000℃，然后热的废气喷洒出从玉米孔火焰管的热交换腔室（图2c）。空气入口通道和发射通道可以在外部壳体中可以看出燃烧室（图2d）。斯特林发动机的热头主要由36 U型加热器管的和一个不锈钢罩，它是足够的燃烧室的热性能测试虽然这种热打印头的结构比对实际的斯特林发动机使用简单.
1 - 燃烧模块; 2，热交换腔; 3加热器管
斯特林发动机的; 4，空气预热层; 5天然气进口
管; 6 - 空气入口通道; 7排放通道; 8点火位置
图1设计燃烧室的结构斯特林发动机由天然气加热。
图2加工燃烧室的一些关键部分。 （一）火花塞和天然气入口管; （二）旋流器;1-喷嘴孔;2，旋流器通道; （三）热交换腔; 3-空气预加热层; （d）该燃烧室的外壳（例如）阻燃管; 4膜孔; 5 - 空气混合孔; 6，玉米洞
设计燃烧的主要工作过程室如图3所示。新鲜的空气和天然气流入燃烧室从各自的渠道，在短期内混匀旋流器通道，然后火花塞点燃在点火位置如在图中1所示的混合物。一些未燃烧的新鲜空气混合进入燃烧让温度下降后所产生的废气，然后从玉米孔热的废气喷洒出以加热斯特林发动机的加热器管。热交换后，废气从燃烧室流出的预热层发射通道内，使新鲜空气可以预热，当它流经前混合天然气预热层外，废气终于放出，工作过程结束了。
我们的设计目标是，燃烧室可以产生20千瓦能量功率，其用于加热斯特林发动机以产生3〜5千瓦的电力。所设计的热参数列于表1中。为了在实验操作容易地调整工作状态，所述参数被设计不是数字而是一范围。空气天然气比率改变只在小范围内，这是调节流量的过程中要服从的调节。废气流入热交换腔的温度被设计为在大约900℃是合适的温度，以加热斯特林发动机。最后发射的温度在约300℃设计成当它流出燃烧室。
表1热设计参数
参数 值
入口空气流速（克/秒） 12〜24
进气气压（千帕） 103〜110
进风温度（℃） 0〜50
入口天然气流率（克/秒） 0.25〜0.55
进口天然气压力（千帕） 130〜203
进口天然气温度（℃） 0〜50
空气中的天然气流量比（ - ） 45〜50
图三所设计的燃烧室主要工作过程
新鲜空气 甲烷（天然气）
进气通道 甲烷（进气通道）
预热空气
空气预加热层外 喷嘴孔
混合
由火花塞点燃 旋流器
在燃烧的火焰筒，然后用一些未燃烧的新鲜空气混合
废气喷以加热斯特林发动机的加热器管
流出燃烧室的从预加热层的内部，以对信道的发射
设计燃烧室的热力性能试验
我们测试的性能，所设计的燃烧室的实验，其中包括2个步骤。实验的第一步是检查燃烧情况。如果燃烧过程是稳定的，没有火焰喷射出火焰筒和玉米孔，我们可以确保“燃烧”的过程和“热传递”的过程确实是独立的。第二步骤试验是基于在第一步骤。在这个步骤中的实验中，在燃烧过程中对使用的热能量和工作效率进行评估。
用于第一步实验的测试系统如图4所示。空气由一个漩涡泵吹入系统管中，在20℃和1个大气压下，由它产生的最大空气有一个空气流量计和一种天然气流量计测量空气和天然气的流量在其各自的管。有一个空气流量计和一种天然气流量计在其各自的管内测量空气和天然气的流量。为了直接观察火焰，在第一步实验中，斯特林发动机的加热器管没有组装。相反，中心有一个石英玻璃舷窗不锈钢盖，被组装在燃烧室底部。反射镜被放置在燃烧室舒适地观察到发生在封闭腔中的燃烧现象下，从燃烧前镜看到的视图显示在图5A。
1设计的燃烧室; 2-鼓风机;3，天然气源; 4-天然气流量计; 5-空气流量计; 6镜
图4第一个实验系统
图5在第一个实验中的现象中
- 观测鉴于之前的燃烧（二）观察视图时热废气为380〜450℃; （三）观察视图时热的废气为850〜910℃; （四）鉴于观察后火焰管的底部被密封
在第一步骤中的实验中，我们发现空气和天然气的混合物可以在空气和天然气的流速/分别立方米/小时和15〜16升分是40〜45很容易地点燃。燃烧过程稳定。火焰如图5b所示。在热交换腔中的热电偶得到的热废气温度在380到450之间。随着天然气流量的增加，空气的流量增加，且腔中的温度升高。最后，我们设法控制热废气温度高达910℃，而那一刻的视图如图5c所示（我们还可以看到石英玻璃是因为高的热应力破解）。我们封火焰筒的底部后，我们确保天然气和空气的混合物容易点燃和燃烧室的火焰是稳定的。然后我们观察有无火焰喷射出的玉米孔。该视图被示于图图5d作为其结果，和没有火焰喷射出玉米孔。如图五所示，其结果没有火焰喷射出玉米孔。该结果意味着火焰可以在被燃烧完全且稳定地火焰管中燃烧模块，我们实现了“燃烧”的过程和“热传递”的过程是分开的。
用于第二步骤的实验系统如图6。我们在燃烧室的底部取下不锈钢罩，和 组装斯特林发动机的热头，用于此实验来代替。热头只由36 U型加热管和水流动的封闭的房间。我们计划用水量来衡量斯特林发动机能用多少能量，所以在热头底部有一个入口和一个出口。与系统的第一步相比，我们还增加了水流量计和一些水通道。在这一步实验开始前，我们已经在燃烧室外包裹了一层约40毫米厚的羊毛保温层。
图6实验系统
根据第一步实验的操作条件，进行了二步实验，并将结果列于表2。所有的实验测试数据，这4个典型的行被记录在相对稳定的条件。在表2中，实验参数是由不同的仪器直接记录。参数来评估能量利用率和计算基于所述实验参数燃烧室预热性能。其中，我们定义
燃烧效率
=
（通过水吸收的热量 通过空气吸收的热量）/甲烷完全燃烧热
热能利用效率
=水吸收的热量/甲烷完全燃烧热
热回收效率
=新鲜空气吸收的预热量/排放的可用能量
表2性能测试结果
实验参数 行1 行2 行3 行4
入口空气流速（克/秒）14.4 18.6 18.3 13.1
进气气压（千帕） 103 103 103 103
进风温度（℃） 30.7 40.2 36.1 42.9
预热空气温度（℃） 55.0 84.6 81.3
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