CN106765082B - 一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，其特征在于：包括一个液体调温型多孔介质燃烧室，以及设置在液体调温型多孔介质燃烧室两侧的两个脉冲式等容气体燃烧器驱动头，三者之间固定连接，本发明与现有技术相比具有安全、稳定、高效、低氮的优点。

Description

一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器

技术领域

本发明涉及一种多孔介质脉冲等容燃烧器，更具体的说，它涉及一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器。

背景技术

在现有的天然气燃烧器、燃烧机中所采用的燃烧方式均为等压式燃烧。

等压扩散燃烧存在着燃料与空气混合不完全、不均匀的痼疾，火焰包络中存在着温度极高的核心，燃烧不完全且Nox生成量大，即便是采用“高温空气燃烧技术”提高了燃烧效率，但随着助燃空气预热温度提升，在强化了燃烧反应温度的同时，也强化了高温型Nox的生成。形成了高效燃烧、高Nox排放的悖论。

等压预混燃烧能够达到高效燃烧的目的，但不能降低高温型Nox的生成，且存在着功率调节比小、易回火的痼疾。尤其是针对气体燃料的系统，易回火特性是一种安全隐患，需要用多种性能、能耗代价予以预防，但仍不能完全杜绝。

当前最流行的“金属丝网燃烧器”有效的解决了高效燃烧与低Nox排放的矛盾，但没有杜绝“预混燃烧易回火”的根本方法。排放与综合能耗间的悖论仍然存在。其中“多孔介质”(金属丝网)对燃气流的阻力增大，迫使系统风机功耗加大、燃料气供应压力增大的能耗负面特性尤为突出，且随着燃烧器单体功率加大，电耗及综合能耗越发突出。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，来解决以上这些问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，其特征在于：包括一个液体调温型多孔介质燃烧室，以及设置在液体调温型多孔介质燃烧室两侧的两个脉冲式等容气体燃烧器驱动头，三者之间固定连接，所述液体调温型多孔介质燃烧室包括若干个依次连接的水调温多孔介质，均设置在水调温多孔介质外的外环水套，设置在外环水套上的调温水入口、调温水出口，设置在外环水套内的外水套导向器、外水套汇流器，所述水调温多孔介质包括水调温多孔介质本体和若干水调温多孔介质单元，所述水调温多孔介质本体内设有由若干水调温多孔介质单元依次紧密排列而成的水调温多孔介质单元层，所述水调温多孔介质本体内设有若干多孔介质间调温水管，所述多孔介质间调温水管径向贯穿水调温多孔介质单元层，所述多孔介质间调温水管一端与外水套导向器相连接，另一端与外水套汇流器相连接，所述外水套导向器与调温水入口相连接，所述外水套汇流器与调温水出口相连接，所述水调温多孔介质单元层一侧为燃气进口端，另一层为烟气出口端。

优选为，水调温多孔介质本体内设有两层水调温多孔介质单元层，所述两层水调温多孔介质单元层在一个平面内呈90度设置。

优选为，脉冲式等容气体燃烧器驱动头包括驱动头外壳，与驱动头外壳固定连接的驱动头内壳，设置在驱动头内壳上的天然气冷却腔体、阀驱动电机，设置在天然气冷却腔体内的若干条天然气管道，穿过天然气冷却腔体贴合在天然气冷却腔体一端面上的空气阀轴向板组件，设置在空气阀轴向板组件上的点火器，设置在驱动头内壳左端开口处向上凸起的空气导流板，穿过驱动头外壳、驱动头内壳与所有天然气管道相连通的天然气总管道，以及穿过驱动头外壳、驱动头内壳与天然气冷却腔体相连通的冷却水进口和冷却水出口，所述驱动头外壳与驱动头内壳之间形成一条空气导流通道，所述空气导流通道出气口处设有若干相互间隔的空气导流孔，所述天然气管道出口设置在天然气冷却腔体与空气阀轴向板组件贴合的侧面上，所述天然气管道的出口处设有若干天然气毛细管束喷嘴，所述空气阀轴向板组件上设有若干与空气导流孔、天然气管道出口相配合的缺口和第二缺口，所述空气阀轴向板组件与天然气冷却腔体、驱动头外壳、驱动头内壳连接处密封处理，所述阀驱动电机与空气阀轴向板组件传动连接，控制空气阀轴向板组件的转动。

优选为，空气阀轴向板组件包括从动齿轮、连接轴和空气阀轴向板，所述空气阀轴向板通过连接轴与从动齿轮相连接，所述从动齿轮与阀驱动电机相连接，通过阀驱动电机带动从动齿轮转动，所述点火器设置在空气阀轴向板中间位置，所述缺口与第二缺口分别设置在空气阀轴向板上。

优选为，空气导流板形状为圆锥面。

优选为，天然气管道为十二个。

优选为，天然气管道的出口处有四百二十二个天然气毛细管束喷嘴。

优选为，四百二十二个天然气毛细管束喷嘴呈十三列六十八排扇形排列。

本发明与现有技术相比具有：

(1)安全：我们发明的“脉冲式低氮燃烧(等容)循环”中的“天然气冷却腔体”+毛细管束结构是将燃料气通过“天然气冷却腔体微喷管束”组合体后进入预混段腔室，天然气冷却腔体中的循环水带走管束壁面的热量，形成燃料与预混气间的大温差，降低反应温度、形成熄灭区；毛细管直径取低于火焰猝熄值，毛细管长径比远大于猝熄距离，毛细管内壁产生的低温附面层对火焰波产生滞止。以上综合措施及结构，使本预混区上游燃料喷嘴不具备产生回火的条件。故，做到系统安全。

(2)稳定：我们的发明中，针对燃烧室内的每一次燃气灌注、燃烧、排气(等容)循环，都安排独立的点火程序，以确保其燃料当量的精确，燃料剂量的准确，点火时隙正确。

(3)高效：根据燃烧学理论，对于化学恰当比燃/气混合物,Humphrey(汉佛莱)热循环(等容燃烧)效率比Brayton(布雷顿)热循环(等压燃烧)效率高30％——50％。我们发明的组合结构是一种以可调时隙动作的极近似等容循环的脉冲式多孔介质燃烧器对燃气流的驱动结构——目的是在强化多孔介质燃烧器低氮特性的基础上，利用多孔介质的气动阻尼性状，形成近似于等容循环的燃烧状态，使其燃烧效率保持在极高的水平。火焰在燃烧室爆燃后瞬间的自增压性状，使燃气流克服多孔介质阻力流向下游，而不必增加鼓风机压力(功率)。同时，有利于燃气与多孔介质间的热交换，使燃烧室中的多孔介质获得更多的热量裕度。我们的系统中，不单是组织高效的热能转换，对伴生的火焰动能也有充分利用。这在常规的(等压)燃烧系统中是不能实现的。以此达到系统综合降耗的目的。

(4)低氮：在本发明中，预混燃气定容积充填后，燃料/空气阀闭锁后点火，使预混气在燃烧室形成爆燃，燃气膨胀增压并产生极高的火焰传播速度，极大地缩短N→O反应时间；同时，随着燃烧室温度的不同，所选定的不同浓度当量配给，使反应区N→O反应率极大地降低。两项措施结合形成燃气流(火焰)的低氮(Nox)状态。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2是本发明液体调温型多孔介质燃烧室的结构示意图。

图3是本发明水调温多孔介质的结构示意图。

图4为本发明水调温多孔介质单元的结构示意图。

图5是本发明脉冲式等容气体燃烧器驱动头的结构示意图。

图6是本发明脉冲式等容气体燃烧器驱动头轴向剖面图。

具体实施方式

参看图1-图6所示，本发明实施例的一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，其特征在于：包括一个液体调温型多孔介质燃烧室25，以及设置在液体调温型多孔介质燃烧室25两侧的两个脉冲式等容气体燃烧器驱动头26，三者之间固定连接，所述液体调温型多孔介质燃烧室25包括若干个依次连接的水调温多孔介质1，均设置在水调温多孔介质1外的外环水套2，设置在外环水套2上的调温水入口3、调温水出口4，设置在外环水套2内的外水套导向器、外水套汇流器，所述水调温多孔介质1包括水调温多孔介质本体11和若干水调温多孔介质单元12，所述水调温多孔介质本体11内设有由若干水调温多孔介质单元12依次紧密排列而成的水调温多孔介质单元层，所述水调温多孔介质本体11内设有若干多孔介质间调温水管5，所述多孔介质间调温水管5径向贯穿水调温多孔介质单元层，所述多孔介质间调温水管5一端与外水套导向器相连接，另一端与外水套汇流器相连接，所述外水套导向器与调温水入口3相连接，所述外水套汇流器与调温水出口4相连接，所述水调温多孔介质单元层一侧为燃气进口端6，另一层为烟气出口端7。

水调温多孔介质本体11内设有两层水调温多孔介质单元层，所述两层水调温多孔介质单元层在一个平面内呈90度设置。

脉冲式等容气体燃烧器驱动头包括驱动头外壳8，与驱动头外壳8固定连接的驱动头内壳9，设置在驱动头内壳9上的天然气冷却腔体10、阀驱动电机11，设置在天然气冷却腔体10内的若干条天然气管道，穿过天然气冷却腔体10贴合在天然气冷却腔体10一端面上的空气阀轴向板组件，设置在空气阀轴向板组件上的点火器24，设置在驱动头内壳9左端开口处向上凸起的空气导流板12，穿过驱动头外壳8、驱动头内壳9与所有天然气管道相连通的天然气总管道13，以及穿过驱动头外壳8、驱动头内壳9与天然气冷却腔体10相连通的冷却水进口14和冷却水出口15，所述驱动头外壳8与驱动头内壳9之间形成一条空气导流通道16，所述空气导流通道16出气口处设有若干相互间隔的空气导流孔17，所述天然气管道出口设置在天然气冷却腔体10与空气阀轴向板组件贴合的侧面上，所述天然气管道的出口处设有若干天然气毛细管束喷嘴18，所述空气阀轴向板组件上设有若干与空气导流孔17、天然气管道出口相配合的缺口19和第二缺口20，所述空气阀轴向板组件与天然气冷却腔体10、驱动头外壳8、驱动头内壳9连接处密封处理，所述阀驱动电机11与空气阀轴向板组件传动连接，控制空气阀轴向板组件的转动。

空气阀轴向板组件包括从动齿轮21、连接轴22和空气阀轴向板23，所述空气阀轴向板23通过连接轴22与从动齿轮21相连接，所述从动齿轮21与阀驱动电机11相连接，通过阀驱动电机11带动从动齿轮21转动，所述点火器24设置在空气阀轴向板23中间位置，所述缺口19与第二缺口20分别设置在空气阀轴向板23上。

空气导流板12形状为圆锥面。

天然气管道为十二个。

天然气管道的出口处有四百二十二个天然气毛细管束喷嘴18。

四百二十二个天然气毛细管束喷嘴18呈十三列六十八排扇形排列。

工作原理：

本发明为组合式液体调温型多孔介质燃烧室，两侧装配同样规格的脉冲式等容气体燃烧器驱动头。左右两侧驱动头按程序交替进行燃烧驱动与排烟回热。其交替间隔由组合式多孔介质的数量确定(1片对应于1次燃烧工作循环，最大间隔为9片9个工作循环)。通俗地讲，在9片多孔介质组合燃烧室状态下，右侧驱动器需完成9次燃烧(等容)循环驱动后，即转为排烟、回热工况；而左侧由排烟、回热工况转换为驱动工况。

(1)首先，阀驱动电机(右侧)通过从动齿轮盘至开启位，使预混区空气由2径向进入燃烧室，空气阀轴向板上的扇形开口也对应于天然气毛细管束喷嘴开启状态，机外天然气电磁阀打开，天然气由总管进入“天然气冷却腔体”中的12组毛细管束并在毛细管束喷嘴处喷出；助燃风由空气导流通道，通过预混区空气阀径向进口切向进入预混区形成涡旋与轴向喷出的天然气混合——呈均匀预混气。

(2)又由于预混器内的预混气径向旋转并不断填充，在预混器腔体的截面上形成轴向压力均匀的气体界面，向下游方向运动并充满预混腔。

(3)此时，预混器空气阀步进至阀关闭位，空气进口关闭，天然气毛细管束喷嘴扇区亦被遮挡，机外天然气电磁阀关闭。整个预混腔形成轴向下游开口充满预混气的盲管，又由于腔内的径向旋转预混气失去填充压力，使其向下游的轴向(膨胀)速度骤降，考虑到预混器下游连接的多孔介质对预混气的阻力，此时的预混腔内就形成了随阀位周期往复循环的“轴向存有压力梯度的预混气定容体”，且该定容体在被点燃后，同时产生的热能(爆燃)、动能(膨胀)会在固定的容积内产生具有自增压状态的燃气流，其压比约为6。

(4)在阀传感器确认阀位定点后，左侧阀盘至开启位，准备排烟(泄压)，点火器随即工作。点火产生的燃烧波在预混段全向发散，由于其位置靠近盲管顶部，燃烧波向上游运动，很快触及盲端壁面并被反射形成紧随向下游传播的两道燃烧波，由于流向下游的燃烧波遇到多孔介质时产生迟滞，则上游反射波会对下游燃烧波产生压缩并耦合，其波面的压缩、耦合中产生的皱褶会生成若干局部放热中心，并在放热中心产生微爆，多点的微爆使整个定容体温度、压力上升，继而发展成整体爆燃(或弱爆震)。

(5)此过程的火焰传播速度远大于缓燃波，可以说是瞬间完成。故其中的氮与氧的反应时间比缓燃波小得多，减少了其生成Nox的几率。

(6)在一个定容体爆燃完成后，右侧燃烧器阀位转至间歇位，此时预混腔状态为：机外天然气阀门关断，空气阀门径向开启、但轴向板仍然遮挡扇形燃料管束喷嘴，空气切向进入预混腔级部分进入下游多孔介质中，对腔体及多孔介质降温，使其余温在预混燃气自燃温度以下，防止其非受控自燃。而该层空气在下一个爆燃循环开始后，被推入下游充当过剩空气，利于提高爆燃尾焰的燃尽率。

(7)燃气预混气通过多孔介质界面进入液体调温型多孔介质燃烧室，经多孔介质间水管形成的减缩喉径，在多孔介质扩压段完成扩压减速。在90°交叉的第二层完成二次扩压减速。使出口端处形成气动回流驻点，此时点火点安排在多孔介质入口或出口均可，火焰会被调整稳定在多孔介质内两层水管间。多片多孔介质组合时亦然。

(8)外设水泵输出的调温水通过调温水入口7进入燃烧室外环水套，经外水套导向器后进入多孔介质间调温水管，而后再通过外水套汇流器，从调温水出口流出，流向水源热泵或助燃空气换热器。

(9)水冷调温型多孔介质组合既可以作为具有大幅度温度调整功能的火焰控制体，又可以被用作“紧凑型高效热水器”。因为在本水冷调温型多孔介质组合燃烧室中，通常意义上的火焰包络被分割成集细小的体量，且沿结构体径向充分展开，与细密的水冷壁翅片紧密接触、换热——形成了由常规火焰容积式传热向细密分割后的面积式传热的转变。其传热效率有了极大的提高。

(10)由于多层多孔组合体结构的缘故，本发明中的(等容)燃烧室的每一次循环的灌注量定容，被设定为1片多孔介质的有效容积。因此每一次爆燃后的燃烧产物(烟气)因其下游的多孔介质扩压减速及附面层阻力，会被迟滞在下游的多孔介质里面，这样既延长了烟气与水冷壁的换热时间，又提高了烟气对壁面的压力，对高效燃烧、换热形成利好。

(11)在一个定容体爆燃完成后，阀位转至间歇位，此时预混腔状态为：机外天然气阀门关断，空气阀门2径向开启、但轴向板仍然遮挡扇形燃料管束喷嘴，空气切向进入预混腔级部分进入下游多孔介质中，对腔体及多孔介质降温，使其余温在预混燃气自燃温度以下，防止其非受控自燃。而该层空气在下一个爆燃循环开始后，被推入下游充当过剩空气，利于提高爆燃烟气的燃尽率。

(12)本发明为组合式液体调温型多孔介质(＞9片)燃烧室，两侧装配同样规格的脉冲式等容(天然气)低氮燃烧-燃气流驱动器。左右两侧驱动器按程序交替进行燃烧驱动与排烟回热。其交替间隔由组合式多孔介质的数量确定(1片对应于1次燃烧工作循环，最大间隔为9片9个工作循环)。

(13)本发明中的液体调温多孔介质组合燃烧室的每一片上均安装有温度传感器组，使水温、烟温、体温实时相关于预混室工作频率(定容流量)、调温水流速、烟气总量。并通过程序设定，形成低氮排放与高效燃烧、供热的最佳效果。

(14)本发明的该种循环模式特点是强调每一次受控(点火)爆燃循环的可靠性、准确性。而精确地控制其循环频率，即可保证对其输出功率的精确控制。反之，也是对其燃耗的精确控制——原因在于每一次的受控爆燃的预混空燃比，，都是按照对应的预混腔内温度既定的化学当量比。本燃气流驱动器的可调工作频率为60Hz以下。

(15)本发明适用于可控气氛的气流(烟气)加热系统。特别对应于气体燃料的多孔介质燃烧系统以及紧凑型换热器(热水器)工况。亦适合于分布式供热系统。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，其特征在于：包括一个液体调温型多孔介质燃烧室，以及设置在液体调温型多孔介质燃烧室两侧的两个脉冲式等容气体燃烧器驱动头，三者之间固定连接，所述液体调温型多孔介质燃烧室包括若干个依次连接的水调温多孔介质，设置在若干个依次连接的水调温多孔介质外的外环水套，设置在外环水套上的调温水入口、调温水出口，设置在外环水套内的外水套导向器、外水套汇流器，所述水调温多孔介质包括水调温多孔介质本体和若干水调温多孔介质单元，所述水调温多孔介质本体内设有由若干水调温多孔介质单元依次紧密排列而成的水调温多孔介质单元层，所述水调温多孔介质本体内设有若干多孔介质间调温水管，所述多孔介质间调温水管径向贯穿水调温多孔介质单元层，所述多孔介质间调温水管一端与外水套导向器相连接，另一端与外水套汇流器相连接，所述外水套导向器与调温水入口相连接，所述外水套汇流器与调温水出口相连接，所述水调温多孔介质单元层一侧为燃气进口端，另一层为烟气出口端。

2.根据权利要求1所述的一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，其特征在于：所述水调温多孔介质本体内设有两层水调温多孔介质单元层，所述两层水调温多孔介质单元层在一个平面内呈90度设置。

3.根据权利要求1所述的一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，所述脉冲式等容气体燃烧器驱动头包括驱动头外壳，与驱动头外壳固定连接的驱动头内壳，设置在驱动头内壳上的天然气冷却腔体、阀驱动电机，设置在天然气冷却腔体内的若干条天然气管道，穿过天然气冷却腔体贴合在天然气冷却腔体一端面上的空气阀轴向板组件，设置在空气阀轴向板组件上的点火器，设置在驱动头内壳左端开口处向上凸起的空气导流板，穿过驱动头外壳、驱动头内壳与所有天然气管道相连通的天然气总管道，以及穿过驱动头外壳、驱动头内壳与天然气冷却腔体相连通的冷却水进口和冷却水出口，所述驱动头外壳与驱动头内壳之间形成一条空气导流通道，所述空气导流通道出气口处设有若干相互间隔的空气导流孔，所述天然气管道出口设置在天然气冷却腔体与空气阀轴向板组件贴合的侧面上，所述天然气管道的出口处设有若干天然气毛细管束喷嘴，所述空气阀轴向板组件上设有若干与空气导流孔、天然气管道出口相配合的缺口和第二缺口，所述空气阀轴向板组件与天然气冷却腔体、驱动头外壳、驱动头内壳连接处密封处理，所述阀驱动电机与空气阀轴向板组件传动连接，控制空气阀轴向板组件的转动。

4.根据权利要求3所述的一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，其特征在于：所述空气阀轴向板组件包括从动齿轮、连接轴和空气阀轴向板，所述空气阀轴向板通过连接轴与从动齿轮相连接，所述从动齿轮与阀驱动电机相连接，通过阀驱动电机带动从动齿轮转动，所述点火器设置在空气阀轴向板中间位置，所述缺口与第二缺口分别设置在空气阀轴向板上。

5.根据权利要求4所述的一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，其特征在于：所述空气导流板形状为圆锥面。

6.根据权利要求5所述的一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，其特征在于：所述天然气管道为十二个。

7.根据权利要求6所述的一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，其特征在于：所述天然气管道的出口处有四百二十二个天然气毛细管束喷嘴。

8.根据权利要求7所述的一种水调温多孔介质脉冲等容燃烧器，其特征在于：所述四百二十二个天然气毛细管束喷嘴呈十三列六十八排扇形排列。