CN102297419A - 湍流强度可控的燃烧系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种湍流强度可控的燃烧系统，该燃烧系统包括燃烧器和外部调节单元，其中，燃烧器，该燃烧器包括可燃气稳压箱、气态燃料输出管以及设置在该气态燃料输出管内的可移动的湍流发生器；外部调节单元，该外部调节单元利用电磁感应或磁力作用，从所述燃烧器外部控制所述湍流发生器在所述燃烧器内的位置，从而实现气态燃料输出管端口处的目标湍流强度。本发明通过从所述燃烧器外部对湍流发生器的位置进行调节，从而实现无需拆开所述燃烧器，即可形成准确的目标湍流强度，不仅有效地简化了气态燃料湍流燃烧过程及特性研究中的操作，而且实现了湍流强度的准确控制，对研究气态燃料的湍流燃烧过程及特性起到了重要的作用。

Description

湍流强度可控的燃烧系统

技术领域

本发明涉及一种湍流强度可控的燃烧系统，尤其涉及一种通过电磁感应或磁力作用来控制湍流强度的燃烧系统。

背景技术

影响燃料经济性及污染物排放特性的关键在于燃烧过程的优化。随着新型清洁能源的全力推广，很多气态燃料由于其优异的燃烧特性和低污染的特性成为了未来的主要动力燃料，如氢气、甲烷、乙炔、煤气等。燃烧器(如车用发动机、工业燃气炉、生活燃气灶等)的结构参数和控制参数都会直接影响气态燃料的燃烧过程及排放特性。但是无论是结构参数的变化还是控制参数的变化都只是为了在目标环境下配合气态燃料的自身燃烧特性而提供最优化的控制，因此气态燃料的燃烧过程及燃烧特性成为研究的重点。

而在气态燃料的燃烧特性研究中，湍流燃烧特性又一直是从事燃烧研究的工作人员关注的焦点及难点，其中，湍流强度的控制又是湍流燃烧研究中最难以控制的一项核心参数。在对气态燃料的湍流燃烧过程及燃烧特性的研究中，燃烧器是最常用的仪器之一，用来模拟气态燃料的湍流燃烧状况，对研究工作起着重要的作用。

在燃烧研究工作中，传统的燃烧器通常包括可燃气稳压箱箱体、以及与该可燃气稳压箱箱体相连接的气态燃料输出管，在所述可燃气稳压箱箱体上设置有进气孔，通过所述进气孔可以向可燃气稳压箱箱体的腔内输送气态燃料。在气态燃料输出管内存在湍流发生器(例如孔板)，当气态燃料通过湍流发生器后，可以形成一定强度的尾迹湍流。该气流到达气态燃料输出管端面后，实施点火，组织湍流燃烧。其中，根据湍流发生器和气态燃料输出管端面的距离的不同，通过湍流发生器在输出管端面处所形成的湍流的强度也不同。由此，工作人员可以通过设定湍流发生器和气态燃料输出管端面的距离从而在输出管端面处形成目标湍流强度的气流。

在使用上述燃烧器对气态燃料的湍流燃烧过程进行研究的时候，首先需要人工地将燃烧模拟器拆开，并手动地改变湍流发生器的位置，从而达到调节湍流发生器与气态燃料输出管端面之间距离的目的，以此实现目标湍流强度。在对多种不同目标湍流强度进行研究的时候，需要多次拆开燃烧模拟器以调节湍流发生器的位置。在湍流燃烧的研究过程中，如此重复性的操作，会给从事燃烧研究的工作人员带来一定的不便，造成其工作效率的降低。另外，人为手工调节湍流发生器的位置无法保证在输出管端面处形成的湍流强度具有较好的准确性，同时也无法保证实验的可重复性。

因此，亟需提出一种湍流强度可控的燃烧系统，使得工作人员无需拆开燃烧器即可对湍流强度进行准确地调节，从而简化了气态燃料湍流燃烧过程及特性研究中的操作，给工作人员带来一定的便利性。

发明内容

本发明的目的是提供一种湍流强度可控的燃烧系统，该燃烧系统可以在无需拆开燃烧器的条件下，准确地控制湍流发生器在气态燃料输出管内的位置，以便在气态燃料输出管的端面处产生预期的湍流强度。

本发明提供了一种湍流强度可控的燃烧系统，包括：

燃烧器，该燃烧器包括可燃气稳压箱、气态燃料输出管以及设置在该气态燃料输出管内的可移动的湍流发生器；

外部调节单元，该外部调节单元利用电磁感应或磁力作用，从所述燃烧器外部控制所述湍流发生器在所述气态燃料输出管内的位置，从而在气态燃料输出管端口处实现预期的湍流强度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：无需像传统工艺一样，必须拆开燃烧模拟器，才可以对湍流发生器的位置进行调节，从而有效地简化了气态燃料湍流燃烧过程及特性研究中的操作，大大提高了实验效率；通过控制单元准确地控制湍流发生器在气态燃料输出管内的位置，从而在输出管端面处获得准确的预期湍流强度，对研究气态燃料的湍流燃烧过程及特性起到了重要的作用。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为根据本发明一个优选实施例的燃烧模拟器的结构剖面示意图；

图2为根据本发明一个优选实施例的湍流强度可控的燃烧模拟系统的示意图；以及

图3为根据本发明另一个优选实施例的湍流强度可控的燃烧模拟系统的示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提供了一个湍流强度可控的燃烧模拟系统，该模拟系统主要包括燃烧模拟器和外部调节单元两个部分，其中，所述燃烧模拟器用于组织湍流燃烧，在所述燃烧模拟器中安装有湍流发生器，该湍流发生器处于输出管内不同位置的时候可以在输出管端面处形成不同目标强度的湍流环境，所述外部调节单元用于从所述燃烧模拟器外部对所述湍流发生器的位置进行调节，以实现在输出管端面处形成相应的目标湍流强度。

下面，首先对所述燃烧器的结构进行具体说明，请参考图1，图1为根据本发明一个优选实施例的燃烧模拟器的结构剖面示意图。如图所示，所述燃烧模拟器包括可燃气稳压箱箱体10以及点火电极1、气态燃料输出管3、蜂窝结构的湍流发生器6、单向止回阀7、高密度气体进气口9、低密度气体进气孔11以及滑槽12。

其中，该气态燃料输出管3位于所述可燃气稳压箱箱体10的上方、且与所述可燃气稳压箱箱体10相连通。在本实施例中，所述可燃气稳压箱箱体10的形状呈正方体，其壁厚为26mm，内腔的尺寸规格为120mm×120mm×120mm，所述气态燃料输出管3的长度为200mm，其管内径为16mm。在其他实施例中，所述可燃气稳压箱箱体10以及气态燃料输出管3的形状以及尺寸也可根据实际的需要进行设计。

在所述可燃气稳压箱箱体10上设置有至少一个进气孔，通过该进气孔可以向所述可燃气稳压箱箱体10的内腔输送气态燃料，所述气态燃料包括氧气、氢气、乙炔、甲烷或乙醇中的一种或其任意组合、以及其他可以燃烧的气体。在使用中根据气体燃料的密度选择不同的进气孔作为进气通路。通常情况下，密度高于空气密度的气体可以选择设置于所述可燃气稳压箱箱体10较为靠上的进气孔9，而密度低于空气密度的气体可以选择设置于所述可燃气稳压箱箱体10较为靠下的进气孔11。在所述高密度气体进气孔9和低密度气体进气孔11处分别装有高密度气体进气管路(未示出)和低密度气体进气管路(未示出)，且每个进气管路上都安装有质量流量传感器(未示出)和电磁进气阀门(未示出)，其中，所述高密度气体进气管路和低密度气体进气管路用于与高压气瓶连接，分别传送高密度气体和低密度气体至所述可燃气稳压箱箱体10内，所述质量流量传感器用于测量高密度气体进气管路和低密度气体进气管路内的质量流量，从而在可燃气稳压箱箱体10内实现目标气流的形成，所述电磁进气阀门用于控制向所述可燃气稳压箱箱体10内输送高密度气体和低密度气体时气流的大小。进一步地，还包括进气阀开启控制单元(未示出)，其与所述质量流量传感器和电磁进气阀门相连接，所述进气阀开启控制单元根据质量流量传感器测量的数值，控制电磁进气阀门的开启。

在所述气态燃料输出管3内具有用于制造湍流的湍流发生器，在本实施例中，湍流发生器为具有多个小孔、呈蜂窝结构的湍流发生器(下文称为湍流发生器6)，其中，所述湍流发生器6的材料包括磁性材料或铁磁性材料，或其组合，例如包括永磁合金、铁氧体和金属间化合物中的一种及其任意组合。本优选实例中，所述湍流发生器6的厚度为3mm～4mm，小孔的直径范围为1mm～2mm。在其他实施例中，湍流发生器的结构和尺寸可以根据研究需求进行设计，例如采用孔板式结构、丝网式结构等。当气态燃料从可燃气稳压箱箱体10流经所述湍流发生器6后，可以形成具有一定湍流强度的气流。在所述气态燃料输出管3的内侧存在滑槽12，所述湍流发生器6可以沿该滑槽12上下滑动。

本领域技术人员能够理解，所述湍流发生器6在气态燃料输出管3内的位置，直接影响通过所述湍流发生器6后在气态燃料输出管3的端面处所产生的湍流强度的大小，即，所述湍流发生器6与气态燃料输出管3端面之间距离的不同，气态燃料输出管3的端面处会形成不同强度的湍流。当所述湍流发生器6滑动至可以产生目标湍流的位置后，可停止在该位置的附近，以保持气态燃料输出管3内的湍流环境处于准稳定状态。

在所述气态燃料输出管3的端面可以设置有点火电极1，该点火电极1用于点燃所述气态燃料输出管3端面处的可燃气体，实现湍流燃烧。需要强调的是，在其他实施案例中，可以不在气态燃料输出管3的端面处设置点火电极1，而是通过外部热源来实施点火，如火柴、打火机等。

此外，在所述可燃气稳压箱箱体10和气态燃料输出管3的连接处，还可以设置有单向止回阀7，用于防止气态燃料从所述气态燃料输出管3倒流回所述可燃气稳压箱箱体10内，以保障实验过程中的安全。

接着，请参考图2，图2为根据本发明一个优选实施例的湍流强度可控的燃烧系统示意图。如图所示，所述燃烧系统包括燃烧器以及外部调节单元。其中，所述燃烧器为图1中所示的燃烧器，其结构参考上述相应说明；所述外部调节单元包括电磁感应螺线圈4、湍流状态管理模块18、位置传感器2以及电流可变电路19。

其中，所述电磁感应螺线圈4缠绕在所述气态燃料输出管3的外壁上，所述电磁感应螺线圈4从所述气态燃料输出管3与所述可燃气稳压箱箱体10连接的位置开始缠绕，直至所述气态燃料输出管3的端面位置为止。优选地，为了保护所述电磁感应螺线圈4不受到外部电磁的干扰，在所述电磁感应螺线圈4外设置有绝缘保护罩5，并通过螺栓8将该绝缘保护罩5与所述可燃气稳压箱箱体10进行固定。

所述电流可变电路19，与所述电磁感应螺线圈4相连接，用于通过调节所述电磁感应螺线圈4内驱动电流的大小，从而在所述气态燃料输出管3内产生磁力，在磁力的推动下湍流发生器移动到指定的位置。驱动电流大小的变化可以通过多种控制方式来实现，例如PWM控制、电阻可变控制等。

所述湍流状态管理模块18内置有预先标定的湍流强度-湍流发生器位置-电磁感应螺线圈中驱动电流的对应关系。根据预期的湍流强度的大小，通过标定好的湍流强度与湍流发生器位置的对应关系，确定湍流发生器在气态燃料输出管内的位置。然后通过标定好的湍流发生器位置与电磁感应螺线圈中驱动电流的对应关系，确定所需的驱动电流的值。

所述位置传感器2用于测量湍流发生器6的位置数据，并将该位置数据发送至湍流状态管理模块18。

下面，以氢气为气态燃料形成湍流燃烧为例，对整个燃烧系统的具体工作过程进行说明。具体地，由于氢气为单一组分的低密度气体(即其标准状态下的密度低于空气密度)，所以，首先将存储有氢气的高压气瓶16通过进气管路与低密度气体进气孔11相连接，同时，关闭高密度气体进气孔9外的连接阀，使所述可燃气稳压箱箱体10无法通过所述高密度气体进气孔9与外界进行连通。此时，所述孔板6位于所述气态燃料输出管3的底部，该位置为所述孔板6的基准位置。

接着，调节所述可燃气进入稳压箱箱体10内的质量流量，其中，根据所述质量流量和稳压箱箱体10的结构和尺寸以及输出管的尺寸可以确定输出管端面处的质量流量。在本实施例中，假设进气孔11处的质量流量为ml(单位为kg/s)。调节质量流量ml的具体过程如下：打开用于控制高压气瓶16的手动进气阀门13，并向进气阀开启控制单元17输入质量流量ml。接着，所述进气阀开启控制单元17对电磁进气阀门14发出阀门开启信号，低密度气体进气管路上安装的质量流量传感器15测量出所述低密度气体进气管路内的质量流量ml_in，并将该质量流量ml_in的数值传送给进气阀开启控制单元17。所述进气阀开启控制单元17计算低密度气体进气管路内的质量流量ml_in与目标质量流量ml之间的差值Δm(Δm＝ml_in-ml)，所述进气阀开启控制单元17根据Δm的大小，向电磁气阀门14发出提升或降低进气阀门的开启度的信号，通过控制进入所述低密度气体进气管路中气流的大小，对所述低密度气体进气管路内的压强进行调节，直至Δm等于零，即，所述低密度气体进气管路内的质量流量等于目标质量流量ml。在后续湍流燃烧的过程中，一旦所述质量流量传感器15测量到低密度气体进气管路内的质量流量改变，则所述进气阀开启控制单元17根据Δm的数值对低密度气体进气管路内的质量流量进行调节，以保持低密度气体进气管路内的质量流量始终等于目标质量流量ml。

在向进气阀开启控制单元17输入目标质量流量ml的同时，还可以向湍流状态管理模块18输入目标湍流强度，其中，所述目标湍流强度为研究中所期望在气态燃料输出管3的端面处产生的湍流强度。在本实施例中，假设此次需要实现的目标湍流强度为α₁。当所述低密度气体进气管路内的质量流量达到预期质量流量m₁后，所述进气阀开启控制单元17向所述湍流状态管理模块18发出信号，所述湍流状态管理模块18根据标定好的湍流强度与湍流发生器位置的对应关系，确定可以在气态燃料输出管3的端面处产生预期湍流强度α₁时所述湍流发生器6需要移动的距离h₁，并根据标定好的湍流发生器位置与电磁感应线圈内驱动电流大小的对应关系，确定电磁感应线圈内的驱动电流的大小I₁。然后，通过PWM控制在电磁感应线圈内产生所需的驱动电流I₁，在所述气态燃料输出管3内产生磁力，将湍流发生器6移动到预期的位置。

当所述湍流发生器6的位置开始变化时，到达所述气态燃料输出管3端口的湍流强度也相应发生变化，所述位置传感器2将测量到的湍流发生器6的位置h₁′以例如电子信号的形式发送至湍流状态管理模块18。假设所述湍流发生器6当前位置h₁′不等于目标位置h₁时，湍流状态管理模块18将根据标定好目标位置h₁以及当前位置h₁′计算出湍流发生器6需要移动的位置Δh(Δh＝h₁-h₁′)，并通过标定好的湍流器位置与电磁感应线圈中驱动电流大小的对应关系确定所需驱动电流I₁′。然而通过PWM控制改变电磁感应线圈中驱动电流大小来改变蜂窝湍流发生器6的位置。随着所述湍流发生器6位置的继续改变，所述电流可变电路19则相应调节电流，如此反复，直至所述湍流发生器6滑动至可以产生目标湍流强度α₁的位置。

当位置传感器2测量到湍流发生器的位置等于目标位置后，所述湍流状态管理模块18计算出可以使所述湍流发生器6平衡在产生目标湍流强度α₁的位置所需驱动电流的大小，并改变驱动电流的值，从而在所述电磁感应螺线圈4内产生相应的磁力，使得所述湍流发生器6在该磁力的作用下，平衡在可以产生目标湍流强度α₁的位置，从而实现稳定的目标湍流强度α₁。在其他实施例中，还有其他方式可以使湍流发生器6平衡在可以产生目标湍流强度α₁的位置，在此不再一一赘述。

当工作人员需要在其他目标湍流强度(例如α₂)下实现湍流燃烧的时候，先通过湍流状态管理模块18下达复位指令，将湍流发生器6由当前的位置h₁移动到初始位置h₀。然后，将目标湍流强度由上一次的α₁改为α₂，继续重复上述调节过程，即可对所述湍流发生器6在气态燃料输出管3中的位置进行调节，直到所述气态燃料输出管3端面位置处的湍流强度达到并稳定在目标湍流强度α₂。

如此一来，无需像传统工艺一样，必须拆开燃烧模拟器，才可以对湍流发生器6的位置进行调节，而只需要预先标定气态燃料输出管3的端面处的湍流强度与湍流发生器6位置的对应关系以及湍流发生器6位置与电磁感应线圈中驱动电流的对应关系，就可以通过改变驱动电流来产生电磁感应力，移动湍流发生器6在气态燃料输出管3内上下滑动直至到达并稳定在相应的位置，从而实现稳定的目标湍流强度。

可选地，所述外部调节单元还可以通过其他的方式实现对湍流发生器6位置的调节。在其他实施例中，所述外部调节单元可以是位于气态燃料输出管3外部，且可以沿所述气态燃料输出管3上下移动的磁性移动单元25，如图3所示。在本实施例中，当湍流发生器6的材料为永磁合金、铁氧体和金属间化合物中的一种及其任意组合时，所述磁性移动单元25为可以和湍流发生器6发生相互作用的永磁体。相应地，在所述气态燃料输出管3上设置有刻度。当需要实现目标湍流强度环境的时候，可以根据标定好的湍流强度与湍流发生器位置的对应关系确定产生该目标湍流强度时所述湍流发生器6位于气态燃料输出管3内的位置，然后根据所述气态燃料输出管3上面的刻度，通过手动或通过电动、机械或液压的方式移动所述磁性移动单元25至相应位置并加以固定，由于相互作用，所述湍流发生器6也会随着所述磁性移动单元25移动并停止在所述磁性移动单元25被固定的位置，从而产生目标湍流强度。

优选地，所述外部调节单元还可以包括位置传感器2、湍流状态管理模块18以及驱动单元26。其中，所述位置传感器2用于测量湍流发生器6在气态燃料输出管3内的位置；所述湍流状态管理模块18根据标定好的湍流强度与湍流发生器位置的对应关系来确定产生目标湍流强度时湍流发生器6的位置；所述驱动单元26，用于驱动所述磁性移动单元25沿所述气态燃料输出管3达到其预期的位置。具体地，当位置传感器2将湍流发生器6的当前位置以例如电子信号的形式发送至湍流状态管理模块18，所述湍流状态管理模块18依据目标湍流强度判断当前湍流发生器的位置是否达到指定位置，如果未达到指定位置，则根据标定好的湍流强度与湍流发生器位置的对应关系，将预期的湍流发生器的位置以例如电子信号的形式发送至所述驱动单元26，该驱动单元26驱动所述磁性移动单元25沿气态燃料输出管3的外部朝某一方向(方向随机选择)进行移动，以此带动所述湍流发生器6沿气态燃料输出管3内壁的滑槽12移动。当所述湍流发生器6移动后，所述气态燃料输出管3端面的湍流强度会相应发生改变，所述位置传感器2将测量到湍流发生器的位置反馈至所述湍流状态管理模块18，所述湍流状态管理模块18将收到的湍流发生器的当前位置与目标位置相比较，如果发现当前的位置与目标位置之间的差值较上一时刻变大了，则发送信号至所述驱动单元26，使之向相反方向驱动所述磁性移动单元25；反之，则发送信号至所述驱动单元26，继续驱动所述磁性移动单元25沿同一方向移动。如此反复，直至所述湍流状态管理模块18检测到所述湍流发生器的位置达到目标位置的时候，发送信号至所述驱动单元26，使其驱动所述磁性移动单元25不再移动，从而使所述湍流发生器6稳定在相应的位置，实现稳定的目标湍流强度。

在本实施例中，燃烧器的结构，与前述实施例中的描述一致，在此不再一一赘述。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。系统权利要求中陈述的多个单元或装置也可以由一个单元或装置通过软件或者硬件来实现。

Claims (6)

1.一种湍流强度可控的燃烧系统，该系统包括：

燃烧器，该燃烧器包括可燃气稳压箱、气态燃料输出管以及设置在该气态燃料输出管内的可移动的湍流发生器；

外部调节单元，该外部调节单元利用电磁感应或磁力作用，从所述燃烧器外部控制所述湍流发生器在所述燃烧器内的位置，从而在气态燃料输出管端口处实现目标湍流强度。

2.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述湍流发生器为孔板式、蜂窝式、丝网式结构。

3.根据权利要求1所述的燃烧系统，其中，所述湍流发生器的材料包括磁性材料或铁磁性材料的一种或其任意组合。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧系统，其中，所述外部调节单元包括：

电磁感应螺线圈，该电磁感应螺线圈缠绕于所述气态燃料输出管的外壁上；

电流可变电路，与所述电磁感应螺线圈相连接，用于通过控制所述电磁感应螺线圈内驱动电流的大小，从而在所述气态燃料输出管内产生磁力，所述湍流发生器在所述磁力的作用下移动；

湍流状态管理模块，用于测量和控制湍流发生器在气态燃料输出管内的位置，以准确控制火焰处的湍流强度。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的燃烧系统，其中，所述外部调节单元包括：

磁性移动单元，该磁性移动单元位于所述气态燃料输出管外部，且可以沿上下移动，从而使所述湍流发生器跟随所述磁性移动单元在所述气态燃料输出管内进行相应的移动。

6.根据权利要求5所述的燃烧模拟系统，其中，所述磁性移动单元的位置可以通过手动方式调节，或者通过电动、机械或液压方式进行控制。

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