CN109323258A - 一种基于多类型喷嘴燃烧器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种燃烧器的结构，涡流板至少为两个，呈旋转对称分布并向着燃烧器的中心延伸，涡流板远离燃烧器中心的一侧设置锥形喷嘴；涡流板在长度延伸方向为一段直线段和变半径的圆弧段组成，圆弧段连接在直线段靠近燃烧器中心的一端，涡流板在横截面上呈半圆形；锥形喷嘴沿着靠近燃烧器中心的方向喷嘴半径逐渐缩小；单级旋流喷嘴沿着燃烧器的中心呈旋转对称分布，涡流板设置在相邻的两个单级旋流喷嘴之间；单级旋流喷嘴包括流体进口、旋流腔和出口，进口与燃气管末端相连，旋流腔设置在流体进口和出口之间；旋流腔由与旋流喷嘴轴向成一定角度的叶片组成；点火器设在在燃烧器内并靠近燃烧器的中心。
Description
技术领域
本发明涉及燃烧器技术领域，更为具体地说，涉及一种燃烧器燃烧方式以及燃烧器喷嘴结构。
背景技术
随着工业的发展，能源消耗急剧增加，同时能源浪费严重。燃烧器作为能源消耗产品，且市场保有量巨大，其能量利用率成为人们关注的重要问题。当前我国一次能源仍是煤炭，但是其燃烧后会产生大量的二氧化硫和粉尘等，是我国大气污染的主要来源。随着西气东输的完成，天然气作为一种清洁的能量而广泛使用，燃烧器亦然。燃烧器主要是燃料和空气发生燃烧，对于不使用引射结构的燃烧器而言，预先不对空气和燃气进行混合，而采用扩散式燃烧，分别将燃料和空气送入燃烧区，燃烧器喷嘴结构和布置方式决定空气与燃气的混合和燃烧程度，。而如何进行充分且有效的混合，直接影响燃料能量利用率、燃烧器的热效率和污染物的排放。因此设计一种高效混合燃气和空气并能充分燃烧的燃烧器有着十分重要的现实意义和应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种改良的燃烧器喷嘴、燃烧器布置方式及燃气和空气混合方式的燃烧器结构。旨在解决燃烧器燃烧效率低、减少能源浪费以及减少燃烧后污染物排放等问题。
为了解决上述问题，本发明提供了一种燃烧器的结构，包括：锥形喷嘴、涡流板、单级旋流喷嘴、点火器；
所述涡流板至少为两个，呈旋转对称分布并向着燃烧器的中心延伸，所述涡流板远离燃烧器中心的一侧设置所述锥形喷嘴；涡流板在长度延伸方向为一段直线段和变半径的圆弧段组成，所述圆弧段连接在直线段靠近燃烧器中心的一端，所述涡流板在横截面上呈半圆形；所述锥形喷嘴沿着靠近燃烧器中心的方向喷嘴半径逐渐缩小；
所述单级旋流喷嘴沿着燃烧器的中心呈旋转对称分布，所述涡流板设置在相邻的两个单级旋流喷嘴之间；所述单级旋流喷嘴包括流体进口、旋流腔和出口，所述进口与燃气管末端相连，旋流腔设置在流体进口和出口之间；所述旋流腔由与旋流喷嘴轴向成一定角度的叶片组成；
所述点火器设在在燃烧器内并靠近燃烧器的中心。
在一较佳实施例中：所述流体进口和出口为同心圆环，并且流体进口与出口的面积相等。
在一较佳实施例中：还包括进风结构，其沿着竖直方向的上下两端为开口面，沿着水平方向的侧面为圆弧凸面，并且所述圆弧凸面沿着周向间隔设置有进风口；
所述锥形喷嘴、涡流板、单级旋流喷嘴、点火器均位于进风结构内。
在一较佳实施例中：所述进风结构的高度高于涡流板。
在一较佳实施例中：所述叶片与旋流喷嘴轴向的夹角为38°。
在一较佳实施例中：所述变半径的锥形喷嘴其半径从靠近燃烧器中心的一端至另一端逐渐变大。
在一较佳实施例中：所述变半径的圆弧段由三段圆弧段拼接而成，三段圆弧段的半径沿着远离燃烧器中心的方向依次减小燃烧器的结构包括：锥形喷嘴、涡流板、单级旋流喷嘴、进风结构及点火器等。
本发明的有益效果如下：
1.燃气的高效混合和充分稳定燃烧特性。
燃烧器中心区域的均匀布置的涡流板，使通过锥形喷嘴喷射的燃气在涡流板末端强制产生涡流，燃气微小质团发生旋转流动，在燃气旋转流动的过程中产生卷吸作用，吸卷的一次空气与一次燃气进行高效混合，使混合气充分燃烧。由于卷吸作用，在燃烧器中心区域的燃烧产物形成中心回流区，在中心回流区内，高温低速的一次燃烧产物与燃烧的中间产物在向外流动的同时对二次混合器进行预热和助燃，起到强化燃烧的作用。利用强制产生的涡流所形成的中心回流区域来稳定火焰燃烧是最有效的。
燃烧器外围圆周均匀布置的单级旋流喷嘴结构，使得流经喷嘴后燃气发生旋转，相比于直射流，旋流能快速与空气混合，由于旋转存在切向角速度，使得火焰有向中心收拢的趋势，所以燃烧所形成的火焰明显较为紧促且成郁金香状。
进风结构将保证中心燃烧区域燃料充分燃烧所需要的一次空气，由于燃料分级，中心区域燃烧的燃料为一次燃料，外围旋流燃烧所需燃料为二次燃料，一次燃料所占比例小，充分燃烧所需空气量少，进风结构能保证一次燃烧充分，并且由于进风结构的高度高于旋流板高度，能够抵抗恶劣外界环境下对一次稳定燃烧的风力干扰，保证了燃烧的稳定特性。
本发明将中心回流区稳定燃烧与对外部二次混合气预热特性和旋流喷嘴快速混合特性结合的设计概念，使得燃烧分级充分快速稳定燃烧，有效凸显了本发明所提出的燃烧器结构在燃烧效率、燃料燃尽率和节约能源方面的优势。
2.具有均匀的温度分布特性和良好的污染物排放特性。
燃烧器的燃料通常为天然气，在天然气燃烧过程中产生的污染物主要是NOx，而氮元素来源于空气，影响NOx生成的主要影响因素有：空气和天然气的混合程度、燃烧区的氧浓度、燃烧区的温度与燃料在高温区停留时间。在燃烧器中心燃烧区域，进风结构内部空心结构使得流体之间相互流通，降低气流的湍流程度，避免湍流破坏中心区域产生的旋流，以层流的状态均匀的提供燃烧所需空气，一次燃料与一次空气混合均匀，达到理想且均匀的进气状态，在各个方向上有利于燃料充分均匀混合与平静燃烧，由于过剩空气的存在使得燃烧区域的温度较低且分布均匀，防止局部高温的存在，抑制氮氧化物的产生，降低了污染物的排放，有利于保护大气环境。在燃烧器外围燃烧区域，旋流燃气和外围空气快速高效的混合，在一次燃烧产物的助燃条件下，燃烧迅速且充分，燃料的停留时间段，热量以辐射和对流的形式迅速向外围传递，使得燃烧区域的温度分布更加的均匀而具有良好的污染物排放特性和温度分布特性。
3、结构简单、易于加工，稳定性强
本发明所提出的燃烧器仅有锥形喷嘴，旋流板，旋流喷嘴和进风结构，安装简单。同时四个旋流板是直线段和圆弧段半圆壳体组成，通过冲压成型的方式加工而成，旋流板采用铝材制备，铝材具有良好的延展性、抗腐蚀性和抗氧化性好、导热能力强。旋流喷嘴和锥形喷嘴通过铸造的方式加工而成。进风结构用铝材制备，采用冲压形成进风结构的外轮廓，然后焊接而成，圆周均匀布置的圆孔采用线切割加工而成。由于燃烧器各喷嘴流量都采用机械控制，所以工作稳定性强。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是燃烧器局部放大示意图
图3是单级旋流喷嘴的示意图；
图4是锥形喷嘴剖面图；
图5是涡流板示意图；
图6是进风结构示意图；
图中：1是操作旋钮，2是单级旋流喷嘴，3是支架，4是进风结构，5是锥形喷嘴，6是涡流板，7是点火器。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步阐述说明。应该说明的是：以下实施例仅用于说明本发明，并非限制本发明所描述的技术方案，一切不脱离本范围的技术方案及其改进均应包括在本发明的权利要求范围当中。
参考图1-6，一种燃烧器的结构，包括：操作旋钮1、支架3、锥形喷嘴5、涡流板6、单级旋流喷嘴2、点火器7；
所述涡流板6至少为两个，本实施例中为四个，呈旋转对称分布并向着燃烧器的中心延伸，所述涡流板6远离燃烧器中心的一侧设置所述锥形喷嘴5；涡流板6在长度延伸方向为一段直线段和变半径的圆弧段组成，所述圆弧段连接在直线段靠近燃烧器中心的一端。所述变半径的圆弧段其半径从靠近燃烧器底部的一端至另一端逐渐变小。所述涡流板6在横截面上呈半圆形；所述锥形喷嘴5沿着靠近燃烧器中心的方向喷嘴半径逐渐缩小；燃烧器设计为四个涡流板6和四个锥形喷嘴5组合且均匀圆周布置在燃烧器的中心。涡流板6在长度延伸方向为一段直线段和变半径的圆弧段组成，使燃气流体限制于沿涡流板6流动，同时流动方向和流速在不同半径的圆弧段发生非等梯度变化，有利于喷嘴喷射的燃气在燃烧器中心区域产生涡流，使得燃气和空气在中心区域均匀混合且充分燃烧，提高燃烧器的燃烧效率和燃料的燃尽率，减少了能源浪费。涡流板6在横截面上呈半圆形，有利于提高喷嘴喷射的燃气流束在喷射前段的聚集性，减少因扩散而造成的流束能量衰减，从而提高涡流强度和燃气与空气的混合程度。锥形喷嘴5为一段渐缩圆管，在燃气流经渐缩段时，根据流体的伯努利方程，流体流速增加，提高了流束的动量密度，在流体流经旋流板的圆弧段时，流体的流速和方向急剧变化而产生涡流。
所述单级旋流喷嘴2沿着燃烧器的中心呈旋转对称分布，所述涡流板6设置在相邻的两个单级旋流喷嘴2之间；所述单级旋流喷嘴2包括流体进口、旋流腔和出口，所述进口与燃气管末端相连，所述流体进口和出口为同心圆环，并且流体进口与出口的面积相等。旋流腔设置在流体进口和出口之间；所述旋流腔由与旋流喷嘴轴向成一定角度的叶片组成；所述点火器7设在在燃烧器内并靠近燃烧器的中心。在燃烧器正常稳定工况下工作时，在节流阀调节下燃气管末端的流量认为是定值，即单级旋流燃烧器喷嘴的进口几何面积与界面流速成反比例的关系，进口和出口几何面积相同，由于流体在旋流喷嘴内部的存在沿程损失，燃气出口处流速低于进口处流速。旋流腔由与旋流喷嘴轴向成一定角度的叶片组成，叶片倾斜角度和旋流腔的长度对喷嘴内外流动有较大影响。此单级旋流喷嘴2对气流的轴向动量和角动量在结构上优化组合，提高喷嘴火焰稳定工作范围。
本实施例中，还包括进风结构4，其沿着竖直方向的上下两端为开口面，沿着水平方向的侧面为圆弧凸面，并且所述圆弧凸面沿着周向间隔设置有进风口；所述锥形喷嘴5、涡流板6、单级旋流喷嘴2、点火器7均位于进风结构内。并且，所述进风结构4的高度高于涡流板6。由于进风结构内部是空心，空气在内部流通，进风口均匀地给燃烧器提供一次燃料完全燃烧所需的一次空气，同时凸面进风结构减少外界空气对中心燃烧区域的风力干扰，保证一次燃料的充分稳定燃烧。
进一步的，本实施例给出了各个部件的优选参数，用α来表示叶片和喷嘴轴线的夹角，用R1表示叶片根部到轴心的距离，用R2表示叶片顶部到轴心的距离。用R3表示锥形喷嘴5喉部位置内径，用R4表示喷口内径，喷管内径和喉部位置内径相等。涡流板6由直线段与三段变半径的圆弧段壳体组成，其中三段圆弧的半径分别用R5、R6、R7表示。
上述的燃烧器结构，在燃气灶外形上，长度为500mm，宽400mm，高100mm。单级旋流喷嘴2的叶片根部到轴心距离R1为26mm，叶片顶部到轴心距离R2为34mm，喷嘴的进口截面和出口截面平行，叶片与轴线的夹角为38°，有利于提高旋流强度和减少沿程损失。锥形喷嘴5喉部内径R3为8mm，喷口内径R4为5mm，渐缩短采用圆弧过渡而非锥形，有利于减少流体的沿程损失，喷嘴的末端与燃气管相连，燃气管置于燃气灶内部。涡流板6直线段长为30mm，三段圆弧段半径R5为16mm，R6为14mm，R7为13mm，圆弧段末端断面与直线段中心轴线夹角为45°，涡流板6厚度为1.5mm，4个涡流板6在中心区域均匀布置且无缝隙贴合。4股涡流在中心卷吸外界空气进行混合，提高燃气和空气的混合程度，同时提高燃烧的稳定性。进风结构大径为185mm，小径为160mm，高度为55mm，轮廓呈外凸圆弧拱形，11个圆孔均匀布置与外轮廓中央，圆孔的直径为17.5mm，进风结构的壁厚为1.5mm，同时进风结构也呈现出美学效果。
以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。
Claims (7)
1.一种燃烧器的结构，其特征在于包括：锥形喷嘴、涡流板、单级旋流喷嘴、点火器；
所述涡流板至少为两个，呈旋转对称分布并向着燃烧器的中心延伸，所述涡流板远离燃烧器中心的一侧设置所述锥形喷嘴；涡流板在长度延伸方向为一段直线段和变半径的圆弧段组成，所述圆弧段连接在直线段靠近燃烧器中心的一端，所述涡流板在横截面上呈半圆形；所述锥形喷嘴沿着靠近燃烧器中心的方向喷嘴半径逐渐缩小；
所述单级旋流喷嘴沿着燃烧器的中心呈旋转对称分布，所述涡流板设置在相邻的两个单级旋流喷嘴之间；所述单级旋流喷嘴包括流体进口、旋流腔和出口，所述进口与燃气管末端相连，旋流腔设置在流体进口和出口之间；所述旋流腔由与旋流喷嘴轴向成一定角度的叶片组成；
所述点火器设在在燃烧器内并靠近燃烧器的中心。
2.根据权利要求1所述的一种燃烧器的结构，其特征在于：所述流体进口和出口为同心圆环，并且流体进口与出口的面积相等。
3.根据权利要求1所述的一种燃烧器的结构，其特征在于：还包括进风结构，其沿着竖直方向的上下两端为开口面，沿着水平方向的侧面为圆弧凸面，并且所述圆弧凸面沿着周向间隔设置有进风口；
所述锥形喷嘴、涡流板、单级旋流喷嘴、点火器均位于进风结构内。
4.根据权利要求3所述的一种燃烧器的结构，其特征在于：所述进风结构的高度高于涡流板。
5.根据权利要求1所述的一种燃烧器的结构，其特征在于：所述叶片与旋流喷嘴轴向的夹角为38°。
6.根据权利要求1所述的一种燃烧器的结构，其特征在于：所述锥形喷嘴其半径从靠近燃烧器中心的一端至另一端逐渐变小。
7.根据权利要求6所述的一种燃烧器的结构，其特征在于：所述变半径的圆弧段由三段圆弧段拼接而成，三段圆弧段的半径沿着远离燃烧器底部的方向依次减小。
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