CN101120211A - 甲烷气体的燃料活化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使燃烧前的甲烷气体实现大幅度的活化、提高燃烧时的热效率的远红外线发生体。在燃烧前的甲烷气体通路中，设置与甲烷气体通路材料相比吸收率高的吸收材料(58)，该吸收材料通过至少混合有碳的电气石形成，而且在该吸收材料的外面，涂布并固定有能量吸收涂膜(59)，在该能量吸收涂膜的周面，设置至少混合有铁粉、碳的电气石而形成的远红外线发生体(57)和磁铁(54)。
Description
技术领域
本发明涉及甲烷气体的燃料活化装置，更详细地涉及通过在燃烧前活化甲烷气体使甲烷气体在燃烧时的热效率提高的甲烷气体燃料活化装置。
背景技术
以往，对燃烧器具在燃烧时的热效率的提高进行了各种研究。燃烧时的热效率在提高5％时，谋求作为天然资源的燃料的削减，同时，每月燃料费用可以削减5％，具有很大的工业效果。
因此，例如，如特开平11-1707号公报记载的发明那样，对燃烧器进行了改良。
另一方面，在燃烧器具中的暖气设备上设置有用于提高采暖效率的远红外线发生体。例如，如特开2003-336811记载的那样，在红热部的周围设置有玻璃外筒，由加热后的玻璃外筒发射远红外线，得到良好的采暖效果。
但是，这里使用的远红外线是伴随着产生远红外线的远红外线发生体的加热而产生的射线，主要是为了加热物体而使用的。
专利文献1：特开平11-1707号公报
专利文献2：特开2003-336811号公报
发明内容
本发明的发明人等认为：利用来自远红外线的放射波，通过活化燃烧前的甲烷气体，以提高燃烧时的热效率。
而且，详言之，在来自远红外线的放射波中，将只涉及振动或回转的某特定波长区域的电磁波能量投放到甲烷分子中，使甲烷分子旋转，更加激烈地加速从以甲烷分子为首的甲烷分子产生的作为燃烧先驱体的活化学类的旋转·振动运动。由此，提高与空气中氧分子的碰撞能量，且提高碰撞频率，其结果是可促进燃烧反应并导致火焰温度的上升。
因此，首先，着眼于放射远红外线的电气石，向燃烧前的甲烷气体照射来自电气石的远红外线并进行实验，但是没有发现使燃烧时的热效率显著提高的结果。
悉心研究该结果后可知：通过照射与甲烷气体的吸收带相吻合的来自远红外线发生体的放射波，利用远红外线可以使燃烧前的甲烷气体活化。
因此，本发明的目的在于提供一种使燃烧前的甲烷气体实现大幅度的活化、提高燃烧时的热效率的远红外线发生体。
为了解决上述课题，本发明中，第一发明的特征在于，将至少混合有铁粉的电气石而形成的远红外线发生体置于燃烧前的甲烷气体通路中。
而且，第二发明的特征在于，第一发明的远红外线发生体中还混合有碳而形成。
再者，第三发明的特征在于，第一发明的远红外线发生体中还混合有硅而形成。
第四发明的特征在于，第一、第二或第三发明的远红外线发生体的周围配置有磁铁。
第五发明的特征在于，将至少混合有碳的电气石而形成的远红外线发生体置于燃烧前的甲烷气体通路中。
第六发明的特征在于，在燃烧前的甲烷气体通路中，设置与甲烷气体通路材料相比吸收率高的吸收材料，该吸收材料通过至少混合有碳的电气石形成，而且在该吸收材料的外面，涂布并固定有能量吸收涂膜，在该能量吸收涂膜的周面，设置至少混合有铁粉、碳的电气石而形成的远红外线发生体和磁铁。
第七发明的特征在于，作为第六发明的甲烷气体通路包括燃烧部分。
第一发明是，通过在燃烧前的甲烷气体通路中设置至少混合有铁粉的电气石而形成的远红外线发生体，使燃烧前的甲烷气体活化，提高甲烷气体的全部热量中的有效利用热量。
第二发明是，通过使用使碳混合于电气石和铁粉中而形成的红外线发生体，与第一发明相比，更进一步提高甲烷气体的全部热量中的有效利用热量。
第三发明是，通过使用使硅混合于电气石和铁粉中而形成的红外线发生体，与第一发明相比，更进一步提高甲烷气体的全部热量中的有效利用热量。
第四发明是，除第一、第二或第三发明的效果以外，利用来自磁铁的磁力，使甲烷气体活化，更进一步提高甲烷气体的全部热量中的有效利用热量。
第五发明是，通过在燃烧前的甲烷气体通路中，设置至少混合有碳的电气石而形成的远红外线发生体，使燃烧前的甲烷气体活化，提高甲烷气体的全部热量中的有效利用热量。
第六发明是，通过在燃烧前的甲烷气体通路中，设置与甲烷气体通路材料相比吸收率高的吸收材料，该吸收材料通过至少混合有碳的电气石形成，而且在该吸收材料的外面，涂布并固定有能量吸收涂膜，在该能量吸收涂膜的周面，设置至少混合有铁粉、碳的电气石而形成的远红外线发生体和磁铁，基于上述技术方案，实现远红外线发生体的有效利用，进一步使燃烧前的甲烷气体活化，提高甲烷气体的全部热量中的有效利用热量。
第七发明是，除第六发明的效果以外，通过含有燃烧部分作为甲烷气体通路，谋求即将燃烧前或燃烧中的甲烷气体的活化。
附图说明
图1是温度上升测定装置的简要图。
图2是示出试样0～7的温度上升率S1的图。
图3是在第2实施例中使用过的温度上升测定装置的简要图。
图4是在第2实施例中使用过的远红外线发生体的详细图。
具体实施方式
以下，说明本发明的第1实施例。
首先，最初进行下述的实验。
使用燃料：城市燃气(13A)
CH4：88.0％
C2H6：5.8％
C3H8：4.5％
C4H10：1.7％
火焰形态：喷流扩散火焰
燃料流速：73cm/s
空气流速：27cm/s
初期条件：室温、大气压(0.1MPa)
以上述的状态，利用图1所示的测定装置10，测定温度上升。
该测定装置10由连接部20、固定于该连接部20上的燃料管道30和燃烧器部40组成，连接部20上设计有空气孔21，来自燃料管道30的燃料和来自空气孔21的空气混合，在燃烧器部40内燃烧。
再者，燃料管道30和燃烧器部40的燃烧部分前面安装有远红外线发生体50。
而且，使温度上升测定装置60位于燃烧器中燃烧焰的到达位置。该温度上升测定装置60形成整体为120φ的圆筒状的筒体61，将筒体61的一面作为挡住火焰的火焰面62，而且离开该火焰面62设置温差电偶63，测定筒体61内的温度。
然后，关于下述的试样，测定筒体61内的单位时间的温度上升。
试样0：无远红外线发生体、无磁铁
试样1：无远红外线发生体、有磁铁
试样2：只安装电气石、有磁铁
试样3：有电气石+铁粉、磁铁(电气石50g、铁粉110g)
试样4：有电气石+碳、磁铁(电气石50g、碳4g)
试样5：有电气石+硅、磁铁(电气石50g、黑色硅30g)
试样6：有电气石+铁粉+碳、磁铁(电气石50g、铁粉110g、碳4g)
试样7：有电气石+铁粉+硅、磁铁(电气石50g、铁粉110g、黑色硅30g)
分别将这些试样与合计重量的90％的重量的聚氨酯树脂混合后，成型为相同大小，作为试样。
这里，测定试样0和试样1的温度上升率Sn。
其结果如下所述。
试样0：S0＝4.09℃/min
试样1：S1＝4.20℃/min
根据该结果可知：只附设磁铁，温度上升率Sn上升。
这被认为是：借助于由磁铁形成的磁场，在燃烧基部通过甲烷等的热分解产生的被离子化的活化学种，进一步增加了其反应能量，故而导致火焰温度稍微上升，由此使温度上升率Sn提高。
再者，同时，关于试样2～7，也测定温度上升率Sn。其结果如图2所示。
这里，将试样0的温度上升率S0作为节能率0％，关于试样1～7，测定温度上升率和相对于试样0的节能率。节能率用下述公式计算。
节能率ε＝(试样n的温度上升率-试样1的温度上升率)/试样1的温度上升率
其结果如下所述。
试样1：S1＝4.20℃/min、ε1＝2.69％
试样2：S2＝4.25℃/min、ε2＝3.92％
试样3：S3＝4.38℃/min、ε3＝7.09％
试样4：S4＝4.35℃/min、ε4＝6.36％
试样5：S5＝4.20℃/min、ε5＝2.69％
试样6：S6＝4.68℃/min、ε6＝14.43％
试样7：S7＝4.50℃/min、ε7＝10.02％
根据该数据，采用产生远红外线的代表物质电气石，节能率为3.92％。
再者可知：将硅与电气石混合(试样5)时虽然节能率降低，但是通过碳的混合(试样4)而节能率提高，而且，将铁粉与电气石混合(试样3)时，与只有电气石的试样2相比，也谋求约81％的节能率。
再者可知：将铁粉和硅与电气石混合(试样7)时，不仅与只有电气石的试样1相比，节能率提高至10.02％，而且，与只有电气石的试样2相比，也可谋求节能率约提高2.56倍。
而且可知：将铁粉和碳与电气石混合(试样6)时，不仅与只有电气石的试样1相比，节能率提高至14.43％，而且，与只有电气石的试样2相比，也可以谋求节能率约提高3.68倍。
另外这里，使燃料燃烧时的所有发热量是燃烧器具的作为本来目的的能够利用的有效利用热量和燃烧器具的作为本来目的的不能利用的无效热量的合计，无效热量的合计是排气损失或在周围的热损失等的合计。
这里，特别是由于燃烧温度提高时，作为排气排出的燃料燃烧，因此，排气损失减少。
这方面，试样3、6、7与试样1、2、4、5相比，温度上升率大。这意味着试样3、6、7与试样1、2、4、5相比，快速达到高温而且最高温度也高。
因此，由于作为排气损失的无效热量的一部分可以用作有效热量，因此可以谋求燃烧时的热效率的提高。
而且，效率最好的试样是试样6。
以下，说明本发明的第2实施例。
进行下述的实验。
使用燃料：城市燃气(13A)
CH4：88.0％
C2H6：5.8％
C3H8：4.5％
C4H10：1.7％
火焰形态：喷流扩散火焰
燃料流速：73cm/s
空气流速：27cm/s
初期条件：室温、大气压(0.1MPa)
以上述的状态，利用图3所示的测定装置10，测定温度上升。
该测定装置10由连接部20、固定于该连接部20上的燃料管道30和燃烧器部40组成，连接部20上设置有空气孔21，来自突出于燃烧器40的燃料管道30的燃料和来自空气孔21的空气混合，在燃烧器部40内燃烧。
再者，燃料管道30和燃烧器部40的燃烧部分前面安装有远红外线发生体50。
这里，燃烧器部40由外径80φ、内径60φ的不锈钢管形成，从连接部20到燃料管道30的前端为130mm，从连接器20到远红外线发生体50前端为150mm。
而且，使温度上升测定装置60位于燃烧器中燃烧焰的到达位置。该温度上升测定装置60形成整体为120φ的圆筒状的筒体61，将筒体61的一面作为挡住火焰的火焰面62，而且离开该火焰面62设置热电偶63，测定筒体61内的温度。
再者这里，远红外线发生体50由涂布于燃烧器部40上的能量吸收涂膜51和能量发生体52形成。而且，如图4所示，能量发生体52是，在单元框内设置有多个内装有铁制块体53和磁铁54的转动体，而且，使能量薄片57位于该单元框的磁铁54的一侧。这时使用的磁铁54为20kG(高斯)。
另外这里，能量吸收涂膜51是为了使来自能量薄片57的电磁波在燃烧器部40等的金属面不反射而有效地与甲烷气体发生作用而使用的，由底涂剂层58和涂膜59形成。
底涂剂层58在底部使用由A剂和B剂制成的双组分混合固化方式的エパラ#3000(日本特殊涂料株式会社制)。
具体地，将电气石(30～35微米)45g、碳(粉末)6g添加到底涂剂层58的A剂185g中，均匀混合。在涂布之前，添加110g的B剂进行涂布，大约固化10分钟。
涂膜59在底部使用由A剂和B剂制成的双组分混合固化方式的エパラ#3000(日本特殊涂料株式会社制)
具体地，将电气石(30～35微米)112g、碳(粉末)12g添加至涂膜59的A剂80g中，均匀混合。在马上要涂布之前添加B剂200g进行涂布。另外，即使不混合电气石，只将碳(粉末)12g添加于A剂80g中并均匀混合，也就足够了。
另外，上述量表示用于涂布600,000～750,000mm2的量，底涂剂层58约厚0.2mm、涂膜59约厚0.5mm左右。
另外这里，由于要求底涂剂层58对金属面有粘结性，因此减少电气石等的添加量。再者，单独的涂膜59的粘结性差，故为两层结构。
再者，能量薄片57在底部使用由A剂和B剂制成的双组分混合固化方式的改性聚氨酯树脂(日本特殊涂料株式会社制)。
将电气石(30～35微米)240g、铁(铁粉)418g、碳(粉末)15g添加至能量薄片57的A剂156g中，均匀混合。在马上要涂布之前添加B剂390g混合，流入使无纺布位于中间的框中，在室温下用18小时整形为厚度2mm的薄片。
这里，在第1实施例中，能量薄片57是节能率最大的电气石、铁和碳的组合。
另外，作为涂膜59使用的树脂或能量薄片57使用的树脂，除上述以外，使用环境温度为110℃以下时，可以使用通常的合成树脂；或超过150℃时，可以使用硅树脂。
然后，关于下述的试样，测定筒体61内的单位时间的温度上升。
试样0：无远红外线发生体、无磁铁
试样1：无远红外线发生体、有磁铁
试样11：无能量薄片、有能量吸收涂膜、无磁铁
试样12：有能量薄片、无能量吸收涂膜、无磁铁
试样13：有能量薄片、无能量吸收涂膜、有磁铁
试样14：有能量薄片、有能量吸收涂膜、有磁铁
试样15：有能量薄片、无能量吸收涂膜、有磁铁(其中，燃烧器部40不是不锈钢制而是铁制)。
这里，测定试样0和试样1的温度上升率Sn。
其结果如下所述。
试样0：S0＝4.09℃/min
试样1：S1＝4.20℃/min
根据该结果可知：只附设磁铁，温度上升率Sn上升。
这被认为是：借助于由磁铁形成的磁场，对通过磁场的甲烷气体或氧的化学种，产生破坏其对称性的变化，并发生在分子水平下的活化，由此提高温度上升率Sn。
再者，同时，关于试样11～15，也测定温度上升率Sn。
这里，将试样0的温度上升率S0作为节能率0％，关于试样11～15，测定温度上升率和相对于试样0的节能率。节能率用下述公式计算。
节能率ε＝(试样n的温度上升率-试样1的温度上升率)/试样1的温度上升率
其结果如下所述。
试样11：S1＝4.50℃/min、ε1＝10.02％
试样12：S2＝4.45℃/min、ε2＝8.80％
试样13：S3＝4.73℃/min、ε3＝15.65％
试样14：S4＝5.06℃/min、ε4＝23.72％
试样15：S5＝4.96℃/min、ε5＝21.27％
根据该数据，在没有磁铁的状态，即使只使用能量薄片(试样12)或能量吸收涂膜(试样11)，节能率也提高。
而且可知：“有能量薄片、无能量吸收涂膜”的情况，相对于无磁铁(试样12)的有磁铁(试样13)的节能率提高的一方是，试样0和试样1之间的节能率提高的更大。
而且，“有能量薄片、有能量吸收涂膜、有磁铁”的试样14，节能率最高。
另外，试样15与试样13相比，节能率也进一步提高。认为其原因是：由于均不使用能量吸收涂膜，燃烧部40没有用不锈钢制而用铁制的一方，来自能量薄片的电磁波在金属表面的反射少。
以下，说明本发明的第3实施例。
关于该第3实施例，从分光放射率的观点出发，得到最适宜的能量薄片。
甲烷气体在1200cm-1左右的波数下存在电磁波放射能量大的吸收带。
因此，通过将在该波数的波长作用于甲烷气体，以甲烷分子为首，使从甲烷分子产生的燃烧先驱体的活化学种旋转·振动运动更激剧加速，可以导致火焰温度的上升。
因此，在上述的1200cm-1左右的波数域的分光放射率大的材料适于作为远红外线发生体50的材料。
因此，以第2实施例的材料配合的能量薄片为中心，作成分配有下述材料分量的能量薄片，测定分光放射率。
另外，将黑体涂料的分光放射率为94％时的各材料的分光放射率表示为比率，将在1200cm-1的波数域的分光放射率换算为100℃，求出分光放射率。再者，电气石使用30～35微米的粉末，铁使用铁粉，碳使用粉末。
试样20：树脂546g、电气石240g、铁334g、碳15g
试样21：树脂546g、电气石240g、铁418g、碳15g
试样22：树脂546g、电气石240g、铁502g、碳15g
试样23：树脂546g、电气石192g、铁418g、碳15g
试样24：树脂546g、电气石288g、铁418g、碳15g
试样25：树脂546g、电气石240g、铁418g、碳7.5g
试样26：树脂546g、电气石240g、铁418g、碳22.5g
试样27：树脂546g、电气石240g、铁418g、碳4g
试样28：树脂546g、电气石240g、铁418g、碳2g
试样29：树脂546g、电气石240g、铁200g、碳7.5g
试样30：树脂546g、电气石240g、铁600g、碳7.5g
试样31：树脂546g、电气石240g、铁418g、碳0g
试样32：树脂546g、电气石500g、铁418g、碳15g
各试样的分光放射率如下所示。
试样20：84.9
试样21：84.9
试样22：84.5
试样23：75.9
试样24：61.4
试样25：94.0
试样26：85.2
试样27：93.5
试样28：91.4
试样29：81.9
试样30：77.1
试样31：78.9
试样32：81.7
根据这样的结果，确认了下述情况。
(1)关于碳，相对于试样21为碳15g，在试样31、试样28、试样27、试样25、试样26中，分别调配为0g、2g、4g、7.5g、22.5g。可知：从试样31和试样28的比较来看，期望混合有碳。
再者可知：为了将分光放射率设定在90以上，至少需要添加1g左右，但是作为其上限，也可以添加至12g左右。
再者还可知：由分光放射率判断时，最适值为7.5g左右。
(2)关于铁，相对于试样21为铁418g，在试样29、试样20、试样22、试样30中，分别调配为200g、334g、502g、600g。再者，试样20、试样22其它各材料的量相同。而且，试样29、试样30是，电气石一定，调配碳为上述(1)的最适值7.5g。
这里可知：除添加600g的试样30为“70多”以外，其它超过“80”。
再者可知：为了将分光放射率设定在90以上，使碳为最适值7.5g时，期望添加铁300g～450g左右。
(3)关于电气石，相对于试样21为电气石240g，在试样23、试样24、试样32中，分别调配为192g、288g、500g。再者，试样21、试样23、试样24、试样32其它各材料的量相同。
其结果是，试样21的分光放射率高达84.9，试样23为75.9，试样32为81.7，试样24为61.4。
因此可知：关于电气石，试样21优选240g左右。
再者，使碳为最适值7.5g进行实验的结果确认了：为了将分光放射率设定在90以上，可以使用为175g～600g左右。
如上述那样综合判断实施例1至实施例3时，可知：作为能量薄片，期望使用将电气石、碳、铁的混合物分散固定于树脂中的物质。
再者，在数量上，期望电气石为175g～600g左右、碳为1g～12g左右、铁为300g～450g左右的量。
而且，除使用该能量薄片以外，还涂布能量吸收涂膜且使用磁铁时，发挥最优异的燃烧效果。
工业实用性
本发明涉及甲烷气体燃料活化装置，可以使用于锅炉、发电机等的燃烧机器、发动机等中，如果燃烧成为甲烷气体，燃料自身就既可以使用气体燃料也可以使用液体燃料。
Claims (7)
1.一种甲烷气体的燃料活化装置，其中，将在电气石中至少混合铁粉而形成的远红外线发生体置于燃烧前的甲烷气体通路中。
2.按照权利要求1所述的甲烷气体的燃料活化装置，其中，远红外线发生体中还混合有碳。
3.按照权利要求1所述的甲烷气体的燃料活化装置，其中，远红外线发生体中还混合有硅。
4.按照权利要求1、2或3所述的甲烷气体的燃料活化装置，其中，远红外线发生体的周围配置有磁铁。
5.一种甲烷气体的燃料活化装置，其中，将在电气石中至少混合碳而形成的远红外线发生体置于燃烧前的甲烷气体通路中。
6.一种甲烷气体的燃料活化装置，其中，在燃烧前的甲烷气体通路中，设置与甲烷气体通路材料相比吸收率高的吸收材料，所述吸收材料是至少将碳混合于电气石中而形成的，而且在该吸收材料的外面，涂布并固定有能量吸收涂膜，在该能量吸收涂膜的周面，设置至少将铁粉、碳混合于电气石中形成的远红外线发生体以及磁铁。
7.按照权利要求6所述的甲烷气体的燃料活化装置，其中，甲烷气体通路包括燃烧部分。
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