CN106352337A - 燃料浓度径向分层燃烧器 - Google Patents

Abstract

一种燃料浓度径向分层燃烧器装置，燃烧器壳体(7)、混合气引燃装置(6)、混合气喷孔(8)及环状喷射口(9)、(10)、(11)、(12)，其中(9)为第二环喷口，(10)为第三环喷口，依次类推，通过对其结构的尺寸设计，最终达到各环截面积相等；每环喷口内设有燃料、空气、氮气进口，各环燃料入口、空气入口、氮气入口相互交叉排布以及设计足够长的混合腔，使混合气均匀混合；最后通过控制燃料、空气、氮气入口(1)、(2)、(3)、(4)、(5)的阀门开度，实现各环混合气有相同空燃比，相同的体积流量(即相同的流速)，不同的燃料体积浓度，达到燃料在燃烧器半径方向上浓度分层。

Description

燃料浓度径向分层燃烧器

技术领域

本发明属于燃烧试验设备领域，具体设计一种燃料浓度径向分层燃烧器。燃烧器是使燃料和空气/氧气以一定方式喷出、混合、燃烧的装置统称，此燃烧器是一种研究内燃机燃烧机理的实验设备。

背景技术

燃烧器，是使燃料和空气/氧气以一定方式喷出混合燃烧的装置统称。燃烧器的种类规格型式很多，有燃油、燃气(煤气)、燃煤(煤粉/水煤浆)几大类别。应用领域很广，在需要使燃料燃烧以加热物料或反应的工业场合都需要用燃烧器。燃烧器都是以空气作为助燃气体，但空气中氧气含量很低，只有21％，剩余的部分都是氮气、二氧化碳等不可燃气体，这些气体在燃烧过程中，不仅不会有助于发热，反而会大量的吸热，并把这些热量以烟气的方式带走，大大影响了燃烧发热效率。

其中气体燃烧器一般包括五个系统，送风系统、点火系统、检测系统、燃料供给体统、电控系统。送风系统的功能在于向燃烧室里送入一定风速和风量的空气/氧气，其主要部件有：壳体、风机马达、风机叶轮、风枪火管、风门控制器、风门档板、凸轮调节机构、扩散盘；点火系统的功能在于点燃空气与燃料的混合物，其主要部件有：点火变压器、点火电极、电火高压电缆。监测系统的功能在于保证燃烧器安全、稳定的运行，其主要部件有火焰监测器、压力监测器、温度监测器等；燃料供给系统的功能在于保证燃烧器燃烧所需的燃料，器部件主要有过滤器、调压器、电磁阀组、燃料蝶阀。

传统燃烧器一般用于工业领域或民用，其燃料、空气/氧气配比以燃料充分燃烧为主要目的，也没有精确控制燃料浓度分层。

发明内容

本发明目的在与提供一种燃料浓度径向分层燃烧器。通过控制各层喷口的燃料入口、空气/氧气入口、稀释气体入口总面积相等，且设计三种入口相互交叉排布，使混合气均匀混合；通过对各层喷口结构尺寸的设计，最终达到各环面积相等的目的，以满足各层体积流量相等时，流速也相等；

通过控制燃料、空气/氧气、稀释气体入口的阀门开度，实现各环混合气有相同空燃比，相同的体积流量(即相同的流速)，不同的燃料体积浓度，达到燃料在燃烧器半径方向上浓度分层。

为实现上述技术特征，本发明采用如下技术方案：

混合气浓度径向分层燃烧器，包括燃烧器底座(7)、混合气引燃装置(6)、隔板(13)、(14)、(15)、(16)、(17)，混合气喷孔(8)及各层状喷射口(9)、(10)、(11)、(12)，其中(9)为第二层喷口，(10)为第三层喷口，依次类推，每层内设有燃料、空气/氧气、稀释气体进口，分别为第一层进口(1)，布有四个孔，第二层进口(2)布有8个，第三层进口(3)布有12个孔，第四层进口(4)布有16个孔，第五层进口(5)布有20个孔；各层进气口按照顺时针从十二点钟方向依次命名为a、b、c……，即第一层为1a、1b、1c、1d，第二层为2a、2b……，依次类推，各层燃料、空气/氧气、稀释气体进口均匀分布。所述混合气引燃装置(6)安装于燃烧器的中心，通过螺纹紧固；所述1a、1b、1c、1d各进气孔呈圆形布置(如图3所示)，其圆心为燃烧器的中心，其它各环同第一环一样呈圆形布置，圆心也是燃烧器中心，各层燃料、空气/氧气、稀释气体进口的直径由第一层到最后一层依次减小，数目逐渐增加，最终保证燃料、空气/氧气、稀释气体进口总面积相等；所述各混合气喷口(8)、(9)、(10)、(11)、(12)通过环状隔板(13)、(14)、(15)、(16)、(17)进行分开，被隔板分开的混合气喷口各层的截面积相等；隔板与底座之间为一体连接；燃料、空气/氧气、稀释气体进口分别通过管道连接至常温、恒压气源，通过高压气源对其供气；通过燃烧器中心位置所安装的引燃装置使混合气着火，并通过内层可燃混合气的着火气引燃外层可燃混合气；切断混合气供给，燃烧器停止工作。

本发明的原理是：对各层喷口设计合适的燃料、空气/氧气、稀释气体进口直径和数目使其进口的总面积相等，以便于组织各层相等的体积流量，同时三种进气孔的交叉排布并设计足够长的燃料、空气混合腔，使混合气均匀混合；通过对燃烧器中各隔板尺寸的设计(主要是内经的设计)，使各层混合气喷口的截面积相等，以保证各层喷口在相等体积流量时各层的混合气流速相等(层间压差为零)，减少各层混合气在出口位置的相互干扰。通过各层燃料供给口大小的不同设计，实现各层燃料供给量的变化，进而提供各层浓度分层，控制阀门开度来调节燃料供给口、空气/氧气供给口的阀门来调整燃料与空气/氧气的空燃比与体积浓度，通过控制阀门开度来调节各环的稀释气体供给量，总体来说，如果某环的燃料和空气/氧气的体积流量小，就提高稀释气体供给口的开度，如果某环的燃料、空气/氧气体积流量大，就减小稀释气体供给口的开度，最终使各环混合气有相同空燃比，相同的体积流量(即相同的流速)、不同的燃料体积浓度，达到燃料在燃烧器半径方向上浓度分层，具体燃料体积浓度由内层到外层逐渐降低；调节燃料、空气/氧气、稀释气体进口开关使各层混合气浓度实现所要求的分层时，用燃烧器中间所布置的引燃装置对混合气进行引燃，燃烧器正常工作可以看到由于混合气分层，由内层到外层火焰会有明显的变化，关闭燃料、空气/氧气、稀释气体的供给，燃烧器停止工作。

本发明的特色在于：

1、本发明设计合适的燃料、空气/氧气、稀释气体进口直径和数目，使各环燃料、空气/氧气、稀释气体供给口的总面积相等，以便于组织各环相等的体积流量；

2、本发明通过对燃烧器中各隔板尺寸的设计(主要是内径尺寸的设计)，使各层混合气出口的截面积相等，以保证各层出口在相等体积流量时各环的混合气流速相等(层间压差为零)，减少各层混合气在出口位置的相互干扰；

3、本发明对各层设计了不同的燃料进口直径，以方便实现各层燃料供给的差异；

4、通过调节各层空气/氧气、稀释气体的供给量，实现各层混合气有相同的空燃比、相同的体积流量；

本发明最终提供一种气体燃料在燃烧器半径方向上的浓度分层，在同一燃烧器上实现不同浓度物性的混合气的燃烧。

附图说明

图1为燃烧器主视图剖面示意图

图2为燃烧器俯视图剖面示意图1

图3为燃烧器俯视图剖面示意图2

途中标记：燃烧器底座(7)、混合气引燃装置(6)、隔板(13)、(14)、(15)、(16)、(17)，混合气喷孔(8)及环状喷射口(9)、(10)、(11)、(12)，其中(9)为第二层喷口，(10)为第三层喷口，依次类推，每环喷口内设有燃料、空气/氧气、稀释气体进口，分别为第一层进口(1)，布有四个孔，第二层进口(2)布有8个，第三层进口(3)布有12个孔，第四层进口(4)布有16个孔，第五层进口(5)布有20个孔。

具体实施方法

以下结合附图对本发明的技术方案做进一步详细介绍：

对各环设计合适的燃料、空气/氧气、稀释气体进口(1)(2)(3)(4)(5)直径和数目使其进口的总面积相等，阀门全开情况下各层相等的体积流量，同时三种进气孔的交叉排布和设计足够长的燃烧器壳体使混合气均匀混合。

通过对燃烧器中各隔板尺寸的设计(主要是内径的设计)，使各层混合气喷口(8)(9)、(10)、(11)、(12)的截面积相等，以保证各环喷口在相等体积流量时各环的混合气流速相等(层间压差为零)，减少各层混合气在出口位置的相互干扰。

通过调节燃料、空气/氧气、稀释气体的开关控制使燃烧器从内层到外层实现浓度分层。

举例说明，以氮气作为稀释气体，甲烷为燃料，氧气、甲烷体积(物质的量)比例为2:1为例(三种气体高压气源压力一致)，为实现燃料的浓度分层，进行一下方案：

首先定义燃料的体积浓度计算方法：C＝V(甲烷)/[V(甲烷)+V(氧气)+V(氮气)]

第一层内燃料、氧气、氮气阀门的开闭设置为：打开燃料供给口开关1a，打开氧气供给口开关1b、1c，打开稀释气体开关1d；由于三种气体气源的压力一致，四个孔面积一致，定义一个孔的流量为1，则氧气流量为2,、燃料为1、氮气为1，氧气的供给量是甲烷供给量的两倍，即在第一层实现的体积比为2:1；

第一层甲烷的体积浓度:C1＝V(甲烷)/[V(甲烷)+V(氧气)+V(氮气)]＝1/4＝25％

第二层内燃料、氧气、氮气阀门的开闭设置为：打开燃料供给口开关2a，打开氧气供给口开关2b、2c，打开氮气供给开关2c、2d、2e、2f、2g，定义一个孔的流量为1，则氧气流量为2,、燃料为1、氮气为5，氧气的供给量是甲烷供给量的两倍，即在第一层实现的体积比为2:1；

第二层甲烷的体积浓度:C2＝V(甲烷)/[V(甲烷)+V(氧气)+V(氮气)]＝1/8＝12.5％

第三层内燃料、氧气、氮气阀门的开闭设置为：打开燃料供给口开关3a，打开氧气供给口开关3b、3c，打开氮气供给开关3c、3d、3e、3f、3g、3h、3i、3j、3k，定义一个孔的流量为1，则氧气流量为2,、燃料为1、氮气为9，氧气的供给量是甲烷供给量的两倍，即在第一层实现的体积比为2:1；

第三层甲烷的体积浓度:C2＝V(甲烷)/[V(甲烷)+V(氧气)+V(氮气)]＝1/12＝8.33％

第四层内燃料、氧气、氮气阀门的开闭设置为：打开燃料供给口开关4a，打开氧气供给口开关4b、4c，打开氮气供给开关4c、4d、4e、4f、4g、4h、4i、4j、4k、4l、4m、4n、4o，定义一个孔的流量为1，则氧气流量为2,、燃料为1、氮气为13，氧气的供给量是甲烷供给量的两倍，即在第一层实现的体积比为2:1；

第四层甲烷的体积浓度:C2＝V(甲烷)/[V(甲烷)+V(氧气)+V(氮气)]＝1/16＝6.25％

第五层内燃料、氧气、氮气阀门的开闭设置为：打开燃料供给口开关5a，打开氧气供给口开关5b、5c，打开氮气供给开关5c、5d、5e、5f、5g、5h、5i、5j、5k、5l、5m、5n、5o、5p、5q、5r、5s，定义一个孔的流量为1，则氧气流量为2,、燃料为1、氮气为17，氧气的供给量是甲烷供给量的两倍，即在第一层实现的体积比为2:1；

第五层甲烷的体积浓度:C2＝V(甲烷)/[V(甲烷)+V(氧气)+V(氮气)]＝1/20＝5％

通过以上调节，实现了体积浓度25％、12.5％、8.33％、6.25％、5％的浓度分层。以上示例仅表示该燃烧器燃料浓度的一种分层方法，其余分层方法不再详述。

本发明旨在提供一种燃烧器的燃料浓的在半径方向上的分层，各层混合气体积流量相等(流速相等)的燃烧器机构。

Claims (2)

1.一种燃料浓度径向分层燃烧器，其特征在于在燃烧器出口半径方向上燃料浓度分层。

2.一种燃料浓度径向分层燃烧器装置，包括燃烧器底座(7)、混合气引燃装置(6)、隔板(13)、(14)、(15)、(16)、(17)、混合气喷孔(8)及环状喷射口(9)、(10)、(11)、(12)，其中(9)为第二环喷口，(10)为第三环喷口，依次类推，每环喷口内设有燃料、空气、氮气进口，分别为第一环进口(1)布有4个，第二环进口(2)布有8个，第三环进口(3)布有12个孔，第四环进口(4)布有16个孔，第五环进口(5)布有20个孔；所述的混合气喷口(8)、(9)、(10)、(11)、(12)，其特征在于通过对其结构的尺寸设计，最终达到各环截面积相等；所述的燃料、空气、氮气入口(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，其特征在于通过控制阀门开度来调节燃料供给口、空气供给口燃料与空气的空燃比与体积浓度，通过控制阀门开度来调节各环的氮气供给量，总体来说，如果某环的燃料和空气的体积流量小，就提高氮气供给口的开度，如果某环的燃料空气体积流量大，就减小氮气供给口的开度，最终使各环混合气有相同空燃比，相同的体积流量(即相同的流速)，不同的燃料体积浓度，达到燃料在燃烧器半径方向上浓度分层；所述的燃料、空气、氮气入口(1)、(2)、(3)、(4)、(5)，其特征在于各环燃料入口、空气入口、氮气入口总面积相等，且三种入口相互交叉排布以及足够长的燃烧器壳体，使混合气在各层腔内混合均匀混合。