CN104390215A - 适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器及其方法。它包括燃烧器、温度显示器、加热器控制器、流量控制器及显示仪表、减压阀、压缩空气储气罐、精密油量泵、燃料箱、保护气体储气罐、减压阀、流量控制器及显示仪表，燃烧器包括燃烧器出口、保护气体导流罩、多孔陶瓷稳流器、保温材料、温度传感器、空气接触式电加热器、液体燃料雾化室。本发明的液体燃料锥形火焰燃烧器，能隔绝锥形火焰外围的自然空气，形成一个不受外界空气影响的稳定火焰，通过对空气量和燃料量以及空气加热温度的调节，对液体燃料燃烧特性即层流火焰速度、中间产物、碳烟生成机理及活性自由基相关实验进行变量控制（当量比、初始温度）的研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器及其方法。
背景技术
传统研究层流火焰燃烧特性的方法有滞止面法，定容弹法和平面火焰法等，其中滞止面法难以确定火焰锋面的形状，对计算火焰拉伸率带来很大困难，而且在高雷诺数情况下会限制其对火焰速度测量；定容弹法结构复杂，而且每次实验只在瞬间完成，不能提供一个持续可供观测的火焰；平面火焰法中火焰热量流失较大，影响层流火焰速率，不同平面火焰燃烧器之间的测量误差较大。这些方法都有各自的缺陷，要么复杂，要么存在的影响因素多，误差较大，不能提供一个持续稳定可靠的火焰进行研究，针对上述问题，本发明提出一种结构严谨、可控变量多，可有效避免火焰受自然空气影响的适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种适用于研究液体燃料层流火焰速度、中间产物、碳烟生成机理以及活性自由基的锥形火焰燃烧器及其方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器包括燃烧器、温度显示器、加热器控制器、流量控制器及显示仪表、减压阀、压缩空气储气罐、精密油量泵、燃料箱、保护气体储气罐、减压阀、流量控制器及显示仪表，燃烧器包括锥形火焰形成段、稳流段、液体燃料雾化段、空气加热段、燃烧器出口、保护气体导流罩、多孔陶瓷稳流器、保温材料、温度传感器、空气接触式电加热器、液体燃料雾化室；
燃烧器从上到下依次设有锥形火焰形成段、稳流段、液体燃料雾化段、空气加热段，燃烧器上部即锥形火焰形成段设有燃烧器出口，燃烧器出口外围设有保护气体导流罩，保护气体导流罩经流量控制器及显示仪表、减压阀与保护气体储气罐相连，燃烧器中部设有多孔陶瓷稳流器，燃烧器下部设有空气接触式电加热器即空气加热段，空气接触式电加热器与加热控制器相连，空气接触式电加热器上端设有温度传感器，温度传感器与温度显示器相连，压缩空气储气罐经减压阀、流量控制器及显示仪表与空气接触式电加热器底部相连，多孔陶瓷稳流器与空气接触式电加热器之间设有液体燃料雾化室即液体燃料雾化段，燃料箱经精密油量泵与液体燃料雾化室相连，液体燃料雾化段与锥形火焰形成段之间为稳流段，燃烧器外壁设有保温材料。
所述的液体燃料雾化段自下而上为渐缩渐扩结构，喉部圆周上开有燃料进给口。
所述的喉部圆周上均匀分布开有多个开有燃料进给口，且孔径各不相同。
所述的保护气体导流罩圆周上均匀分布着四个保护气体入口。
适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器的燃烧控制方法是：工作时，先通入空气，并开启空气接触式电加热器，由温度传感器反馈的信号调节加热功率，当预热空气温度达到待研究液体燃料所需要的温度时，保护气体储气罐开始供应保护气体，并开始从燃料箱通入待研究液体燃料，所通入的燃料量可由精密测量泵精确控制，然后根据所测试的不同液体燃料的理化特性即粘度、表面张力、分子量、密度，选择不同的液体燃料雾化室喉部燃料进给口通道，由于液体燃料雾化室的渐缩渐扩结构，燃料从喉部通入时，由于空气的节流作用，以及预热空气提供较高的温度环境促进液体燃料汽化，促进液体燃料-预热空气混合，预混合气通过多孔陶瓷稳流器形成均质层流混合气，然后在燃烧器出口点燃，形成一个持续稳定的锥形火焰，进而对所测试液体燃料的燃烧特性进行研究，此燃烧器通过改变空气内接触式电加热器的加热功率、控制精确油量泵通过的油量以及流量控制器通过的压缩空气量，来研究不同预热温度、不同空燃比的不同燃料即汽油、柴油、生物柴油、醇类燃料的燃烧特性即层流火焰速度、中间产物、碳烟生成机理及活性自由基；通过液体燃料雾化段燃料进给口的选择，使所测试的不同燃料即汽油、柴油、生物柴油、醇类燃料都能达到最优雾化效果，燃料进给口的选择是由所测试燃料的理化特性决定的，锥形火焰燃烧器利用预加热空气，液体燃料雾化段喉部节流作用击碎液体燃料，并通过多孔陶瓷稳流器形成一个均匀层流的空气-燃料混合气，通过保护气体保护火焰不受外界空气的影响，从而生成一个持续稳定的火焰，进行实验研究，可控变量多，火焰再生性强。
本发明的液体燃料锥形火焰燃烧器，能隔绝锥形火焰外围的自然空气，形成一个不受外界空气影响的稳定火焰，通过对空气量和燃料量以及空气加热温度的调节，可以对不同液体燃料即汽油、柴油、生物柴油、醇类燃料燃烧特性相关实验进行变量控制（当量比、初始温度）的研究。
本发明的适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器，通过不同燃料入口通道的选择通过对空气量和燃料量以及空气预热温度的调节，并根据所研究液体燃料即汽油、柴油、生物柴油、醇类燃料的理化特性即粘度、表面张力、分子量、密度选择相对应的液体燃料进给口，从而实现不同液体燃料燃烧特性的变量（即当量比、初始温度）控制研究，利用保护气体提供的保护层隔绝锥形火焰外围的自然空气，形成一个不受外界空气影响的持续稳定火焰。
附图说明
图1为适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器结构示意图；
图2为本发明的燃烧器结构示意图；
图3为本发明的保护气体导流罩截面图；
图4为本发明的液体燃料雾化段喉部截面图；
图中：燃烧器锥形火焰形成段1、稳流段2、液体燃料雾化段3、空气加热段4、温度显示器5、加热器控制器6、流量控制器及显示仪表7、减压阀8、压缩空气储气罐9、精密油量泵10、燃料箱11、保护气体储气罐12、减压阀13、流量控制器及显示仪表14、燃烧器出口15、保护气体导流罩16、多孔陶瓷稳流器17、保温材料18、温度传感器19、空气接触式电加热器20、液体燃料雾化室21。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明的适用于研究液体燃料层流火焰速度及中间产物的锥形火焰燃烧器作进一步的详细说明。
如图1、2所示，适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器包括燃烧器、温度显示器5、加热器控制器6、流量控制器及显示仪表7、减压阀8、压缩空气储气罐9、精密油量泵10、燃料箱11、保护气体储气罐12、减压阀13、流量控制器及显示仪表14，燃烧器包括锥形火焰形成段1、稳流段2、液体燃料雾化段3、空气加热段4、燃烧器出口15、保护气体导流罩16、多孔陶瓷稳流器17、保温材料18、温度传感器19、空气接触式电加热器20、液体燃料雾化室21；
燃烧器从上到下依次设有锥形火焰形成段1、稳流段2、液体燃料雾化段3、空气加热段4，燃烧器上部即锥形火焰形成段1设有燃烧器出口15，燃烧器出口外围设有保护气体导流罩16，保护气体导流罩经流量控制器及显示仪表14、减压阀13与保护气体储气罐12相连，燃烧器中部设有多孔陶瓷稳流器17，燃烧器下部设有空气接触式电加热器20即空气加热段4，空气接触式电加热器与加热控制器6相连，空气接触式电加热器20上端设有温度传感器19，温度传感器与温度显示器5相连，压缩空气储气罐9经减压阀8、流量控制器及显示仪表7与空气接触式电加热器底部相连，多孔陶瓷稳流器与空气接触式电加热器之间设有液体燃料雾化室21即液体燃料雾化段3，燃料箱11经精密油量泵10与液体燃料雾化室21相连，液体燃料雾化段3与锥形火焰形成段1之间为稳流段2，燃烧器外壁设有保温材料18。
所述的液体燃料雾化段3自下而上为渐缩渐扩结构，喉部圆周上开有燃料进给口。
如图3所示，保护气体导流罩圆周上均匀开有四个保护气入口，以保证在燃烧火焰外围提供一个均匀的保护层。
如图4所示，液体燃料雾化段喉部圆周上均匀开有四个液体燃料进给口，各个口径互不相同，以适应不同液体燃料的理化特性，达到最佳的雾化效果。
所述的喉部圆周上均匀分布开有多个开有燃料进给口，且孔径互不相同，以适应不同液体燃料的理化特性，达到最达的雾化效果，如图4所示。
所述的保护气体导流罩16圆周上均匀分布着四个保护气体入口，以保证在燃烧火焰外围提供一个均匀的保护层，如图3所示。
适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器的燃烧控制方法是：工作时，先通入空气，并开启空气接触式电加热器20，由温度传感器19反馈的信号调节加热功率，当预热空气温度达到待研究液体燃料所需要的温度时，保护气体储气罐12开始供应保护气体，并开始从燃料箱11通入待研究液体燃料，所通入的燃料量可由精密测量泵10精确控制，然后根据所测试的不同液体燃料即汽油、柴油、生物柴油、醇类燃料的理化特性即粘度、表面张力、分子量、密度，选择不同的液体燃料雾化室21喉部燃料进给口通道，由于液体燃料雾化室21的渐缩渐扩结构，燃料从喉部通入时，由于空气的节流作用，以及预热空气提供较高的温度环境加速液体燃料汽化，促进液体燃料-预热空气混合，预混合气通过多孔陶瓷稳流器17形成均质层流混合气，然后在燃烧器出口15点燃，形成一个持续稳定的锥形火焰，进而对所测试液体燃料的燃烧特性进行研究，此燃烧器通过改变空气内接触式电加热器20的加热功率、控制精确油量泵10通过的油量以及流量控制器7通过的压缩空气量，来研究不同预热温度、不同空燃比的不同燃料的燃烧特性即层流火焰速度、中间产物、碳烟生成机理及活性自由基；通过液体燃料雾化段4燃料进给口的选择，使所测试的不同液体燃料即汽油、柴油、生物柴油、醇类燃料都能达到最优雾化效果，燃料进给口的选择是由所测试燃料的理化特性决定的，锥形火焰燃烧器利用预加热空气，液体燃料雾化段喉部节流作用击碎液体燃料，并通过多孔陶瓷稳流器形成一个均匀层流的空气-燃料混合气，通过保护气体保护火焰不受外界空气的影响，从而生成一个持续稳定的火焰，进行实验研究，可控变量多，火焰再生性强。
通过本锥形火焰燃烧器形成的不同空燃比、不同初始温度的稳定锥形火焰，能够利用CH或OH自由基的自发光特性，选择不同的滤光片，拍摄得到锥形火焰形状图像，再根据混合气流量和所得到的火焰截面积可以计算出层流火焰速度；利用不同的碳烟测试设备可以测量燃烧过程中碳烟生成量、直径大小、颗粒数量，进一步可以研究捕获的碳烟颗粒中不同的有机溶解物及碳烟结构；采用不同的激光诱导荧光技术，测量燃烧过程的自由基，进一步分析燃烧机理，为建模计算燃烧速度提供实验验证。
Claims (5)
1.一种适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器，其特征在于包括燃烧器、温度显示器（5）、加热器控制器（6）、流量控制器及显示仪表（7）、减压阀（8）、压缩空气储气罐（9）、精密油量泵（10）、燃料箱（11）、保护气体储气罐（12）、减压阀（13）、流量控制器及显示仪表（14），燃烧器包括锥形火焰形成段（1）、稳流段（2）、液体燃料雾化段（3）、空气加热段（4）、燃烧器出口（15）、保护气体导流罩（16）、多孔陶瓷稳流器（17）、保温材料（18）、温度传感器（19）、空气接触式电加热器（20）、液体燃料雾化室（21）；
燃烧器从上到下依次设有锥形火焰形成段（1）、稳流段（2）、液体燃料雾化段（3）、空气加热段（4），燃烧器上部即锥形火焰形成段（1）设有燃烧器出口（15），燃烧器出口外围设有保护气体导流罩（16），保护气体导流罩经流量控制器及显示仪表（14）、减压阀（13）与保护气体储气罐（12）相连，燃烧器中部设有多孔陶瓷稳流器（17），燃烧器下部设有空气接触式电加热器（20）即空气加热段（4），空气接触式电加热器与加热控制器（6）相连，空气接触式电加热器（20）上端设有温度传感器（19），温度传感器与温度显示器（5）相连，压缩空气储气罐（9）经减压阀（8）、流量控制器及显示仪表（7）与空气接触式电加热器（20）底部相连，多孔陶瓷稳流器（17）与空气接触式电加热器（20）之间设有液体燃料雾化室（21）即液体燃料雾化段（3），燃料箱（11）经精密油量泵（10）与液体燃料雾化室相连，液体燃料雾化段（3）与锥形火焰形成段（1）之间为稳流段（2），燃烧器外壁设有保温材料（18）。
2.如权利要求1所述的一种适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器，其特征在于，所述的液体燃料雾化段（3）自下而上为渐缩渐扩结构，喉部圆周上开有燃料进给口。
3.如权利要求2所述的一种适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器，其特征在于所述的喉部圆周上均匀分布开有多个开有燃料进给口，且孔径各不相同。
4.如权利要求1所述的一种适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器，其特征在于所述的保护气体导流罩（16）圆周上均匀分布着四个保护气体入口。
5.一种使用如权利要求1所述的适用于研究液体燃料燃烧特性的锥形火焰燃烧器的燃烧控制方法，其特征在于：工作时，先通入空气，并开启空气接触式电加热器（20），由温度传感器（19）反馈的信号调节加热功率，当预热空气温度达到待研究液体燃料所需要的温度时，保护气体储气罐（12）开始供应保护气体，并开始从燃料箱（11）通入待研究液体燃料，所通入的燃料量由精密测量泵（10）精确控制，然后根据所测试的不同液体燃料即汽油、柴油、生物柴油、醇类燃料的理化特性即粘度、表面张力、分子量、密度，选择不同的液体燃料雾化室（21）喉部燃料进给口通道，由于液体燃料雾化室（21）的渐缩渐扩结构，燃料从喉部通入时，由于空气的节流作用，以及预热空气提供较高的温度环境加速液体燃料汽化，促进液体燃料-预热空气混合，预混合气通过多孔陶瓷稳流器（17）形成均质层流混合气，然后在燃烧器出口（15）点燃，形成一个持续稳定的锥形火焰，进而对所测试液体燃料的燃烧特性进行研究，此燃烧器通过改变空气内接触式电加热器（20）的加热功率、控制精确油量泵（10）通过的油量以及流量控制器（7）通过的压缩空气量，来研究不同预热温度、不同空燃比的不同燃料的燃烧特性即层流火焰速度、中间产物、碳烟生成机理及活性自由基；通过液体燃料雾化段（4）燃料进给口的选择，使所测试的不同燃料即汽油、柴油、生物柴油、醇类燃料都能达到最优雾化效果，燃料进给口的选择是由所测试燃料的理化特性决定的，锥形火焰燃烧器利用预加热空气，液体燃料雾化段喉部节流作用击碎液体燃料，促进雾化，并通过多孔陶瓷稳流器形成一个均匀层流的空气-燃料混合气，通过保护气体保护火焰不受外界空气的影响，从而生成一个持续稳定的火焰，进行实验研究，可控变量多，火焰再生性强。
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