CN109945151A - 一种燃烧雾化孔管径变化的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃烧雾化孔分布的优化设计方法，燃烧器包括燃烧器座，所述燃烧器座内固定安装设有若干雾化孔的燃烧头，沿着燃烧头的中心向外的径向方向，所述雾化孔的管径是不断变化的，管径变化采取如下优化设计方法：G（r）’>0,0<r<T；T是半径。本发明采用新的雾化孔管径大小优化的设计方法，能够使得设计出来的燃烧器燃烧效率更加提高。

Description

一种燃烧雾化孔管径变化的设计方法

技术领域

本发明涉及一种燃烧器技术，尤其涉及一种燃烧器的优化设计方法。

背景技术

热管技术是1963年美国洛斯阿拉莫斯(Los Alamos)国家实验室的乔治格罗佛(George Grover)发明的一种称为“热管”的传热元件，它充分利用了热传导原理与相变介质的快速热传递性质，透过热管将发热物体的热量迅速传递到热源外，其导热能力超过任何已知金属的导热能力。

热管技术以前被广泛应用在宇航、军工等行业，自从被引入散热器制造行业，使得人们改变了传统散热器的设计思路，摆脱了单纯依靠高风量电机来获得更好散热效果的单一散热模式，采用热管技术使得散热器获得满意的换热效果，开辟了散热行业新天地。目前热管广泛的应用于各种换热设备，其中包括电力领域，例如电厂的余热利用等。

蒸发器是利用燃料或其他能源的热能把水加热成为蒸汽的机械设备。蒸发器应用领域广泛，广泛适用于制衣厂，干洗店，饭店，馍店，食堂，餐厅，厂矿，豆制品厂等场所。目前的蒸发器也广泛应用于各种疾病的治疗中，尤其是应用于对肌肉、韧带等因为老化和老损引起的慢性病的治疗，例如CN2167709Y专利，但是目前的现有技术中，例如CN2167709Y专利，因为直接通过加热来产生蒸汽，会导致产生的蒸汽温度过高，而且会导致产生的蒸汽中水分过多，而药物因为是颗粒所以可能会出现沉积在下部，所以喷出的蒸汽中有效成分含量过低，而且温度过高，而且现有技术中智能化程度不高，无法进行有效的智能化操作。

现有技术中，燃烧器的空气和燃气存在混合不均匀的现象，导致燃烧不充分。因此有必要改进燃气和空气的混合，使其燃烧均匀。

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的结构的燃气蒸发器，充分利用热源，降低能耗，提高燃烧效果。

发明内容

针对上述问题，本发明在前面发明的基础上进行了改进，提供了一种新的热管结构蒸发器，以实现余热的充分利用。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种燃气蒸汽发生器，包括水箱和燃烧器，所述水箱设置在燃烧器上，燃烧器包括燃烧器座，所述燃烧器座上固定安装有用来放置水箱的炉圈，所述燃烧器座内固定安装设有若干雾化孔的燃烧头，所述燃烧器座的底部设有燃气管，所述燃烧器座上设有若干供给所述燃烧头助燃剂的空气出口，所述燃烧器座的外侧设有与所述空气出口连通的供风通道，所述供风通道上设有空气入口；所述炉圈、所述水箱底部和所述燃烧器座形成燃烧室，所述炉圈为中空的夹层，所述炉圈的内层夹壁上部设有若干回风口，所述炉圈的内部空腔与所述供风通道连通，其特征在于，沿着燃烧头的中心向外的径向方向，所述的雾化孔的分布密度越来越小。

作为优选，还包括热管，所述水箱包括水进口和蒸汽出口，所述热管包括竖直部分、水平部分和竖直管，其中竖直部分的底端连通水平部分，所述水平部分下部连通多个竖直管，其中竖直管是热管的蒸发端，竖直部分是热管的冷凝端，所述竖直部分伸入到水箱底部，所述竖直管和水平部分设置在燃气燃烧器中；所述热管为至少两个，相邻的热管的竖直部分之间设置连通管。

作为优选，从竖直部分下部向竖直部分上部，相邻连通管之间的距离不断增加。

作为优选，从竖直部分下部向竖直部分上部，相邻连通管之间的距离不断增加的幅度越来越大。

作为优选，所述竖直部分是板式结构。

作为优选，所述水平部分从竖直部分的底端向着远离竖直部分的方向延伸，所述竖直部分为多根延伸到水箱底部的管子。

作为优选，所述炉圈呈弧形结构。

作为优选，竖直管的外径为d，同一排的相邻的竖直管圆心之间的距离为L，竖直管的圆心与相邻排的临近的两个竖直管圆心构成等腰三角形的顶角为N，则满足下面要求：

Sin（N）=a-b*S²－c*S,其中Ln是对数函数，S= d/(M2-M1)，a,b,c是参数，满足如下要求：

0.795<a<0.805, 0.525<b<0.535,0.895<b<0.905；

作为优选，a=0.803，b=0.529，c=0.903。

作为优选，0.3< d/L<0.5。

作为优选，随着d/L的逐渐变小，a越来越大,b越来越小，c越来越大。

与现有技术相比较，本发明具有如下的优点：

1）本发明通过设置多个空气出口的上部到下部位置的直径的变化，通过上下位置的出风量小，使得上部到下部的助燃空气逐渐增加，然后逐渐减小，使得即使最大位置处空气量导致的空气团存在，但是通过上部下部的空气的量逐渐减小使得空气团和然后逐渐的充分混合，这样使得空气逐渐的与燃气混合，达到充分的混合效果，避免上部或者下部大量空气突然冲击燃气，使得空气形成大团的存在，造成空气燃气的混合不好，使得空气量在中部位置最大，通过上下部的空气量的减小来逐渐稀释大空气团与燃气的混合。通过大量的实验和数值模拟的研究发现，通过上述设置，能够使得空气燃气充分混合，燃烧效果提高10%左右。

2）本发明对燃气蒸发器中的热管的冷凝端结构进行了改进，将相邻的冷凝段之间设置连通管，通过设置连通管，可以避免热管之间受热不均匀，实现热管之间的压力均衡，避免不同热管之间的受热不均匀导致的缺陷。

3）本发明通过连通过分布数量以及管径的变化规律，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

4）本发明通过燃烧器的空气出口的高度方向上的分布密度以及直径的变化，能够保证空气和燃气的充分混合，达到充分燃烧。

5）本发明对蒸发器中的热管的蒸发端的结构进行了改进，将热管的蒸发端延伸到更远的方向，在不改变热管的冷凝端体积的情况下，使得热管的蒸发端的吸热面积增加，这样可以扩大热管的吸热范围，可以吸收热源最远端的热量。相对于现有技术中的热管蒸发端和冷凝端保持一致大小，同时减少换热器的体积和占地面积，使得结构紧凑。

6）本发明在相邻的蒸发端设置连通管，可以在竖直管受热不同而导致压力不同的情况下，可以使得压力大的蒸发端内的流体快速的流向压力小的蒸发端，从而保持整体压力均衡，避免局部过热或者过冷。

附图说明

图1是本发明蒸汽发生器第一实施例示意图。

图2是本发明蒸汽发生器第二实施例示意图。

图3是本发明相邻热管设置连通管的结构示意图。

图4是本发明相邻热管设置连通管的结构示意图。

图5是本发明燃烧器结构示意图。

图中：1-燃烧器座，2-炉圈，3 -燃烧头，4-供风通道，5-燃烧室,7-雾化孔，8-保温材料，10-热管，111-供气口，112-空气出口，121-空气入口，211-回风口， 101-竖直部分，102-水平部分，103-竖直管，104-圆管，105-水箱，106-热源通道， 108-水进口，109－蒸汽出口，110-冷凝管，21内层夹壁。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本文中，如果没有特殊说明，涉及公式的，“/”表示除法，“×”、“*”表示乘法。

如图1-2公开了一种利用热管的燃气蒸汽发生器，所述蒸汽发生器包括水箱105和热管10，所述水箱105包括水进口108和蒸汽出口109，所述热管包括竖直部分101、水平部分102和竖直管103，其中竖直部分101的底端连通水平部分102，所述水平部分102下部连通多个竖直管103，其中竖直管103是热管的蒸发端，竖直部分101是热管的冷凝端。所述竖直部分101伸入到水箱105底部，用于加热水箱中的液体。所述竖直管103和水平部分102设置在热源中。

本发明蒸发器在运行中，通过竖直管103 从热源中吸收热量，然后竖直管103中的流体进行蒸发，通过水平部分进入到竖直部分，然后在竖直部分将热量释放给水箱中的水，流体进行冷凝，依靠重力的作用再进入竖直管103。

作为优选，所述竖直部分是扁平管结构。

作为优选，所述热管为至少两个，相邻的热管的竖直部分101之间设置连通管。例如如图3、4所示，互相靠近的两个热管的竖直部分101之间设置连通管。通过设置连通管，可以避免热管之间受热不均匀，实现热管之间的压力均衡，避免不同热管之间的受热不均匀导致的缺陷。

作为优选，从竖直部分101下部向竖直部分101上部，相邻连通管之间的距离不断增加。此目的是为了设置更多的连通管，因为随着热管竖直部分流体的向上流动，流体不断的放热，随着流体不断的放热，不同热管内的压力逐渐降低，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡，节约材料。

作为优选，从竖直部分101下部向竖直部分101上部，相邻连通管之间的距离不断增加的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选，从竖直部分101下部向竖直部分101上部，连通管的直径不断减小。此目的是为了设置保证更大的连通面积，因为随着流体的向上流动，流体不断的放热，随着流体不断的放热，不同热管内的压力越来越小，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，从竖直部分101下部向竖直部分101上部，连通管的直径不断减小的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选，如图1所示，所述水平部分102从竖直部分101的底端向着远离竖直部分101的方向延伸。本发明蒸发器通过设置热管的蒸发端的结构进行了改进，将热管的蒸发端延伸到更远的方向，在不改变热管的冷凝端体积的情况下，使得热管的蒸发端的吸热面积增加，这样可以扩大热管的吸热范围，可以吸收热源最远端的热量。相对于现有技术中的热管蒸发端和冷凝端保持一致大小，能够提高45%以上的换热效率。同时减少冷凝端的体积和占地面积，使得结构紧凑。

作为优选，所述两个热管的水平部分分别朝向相对的方向延伸。通过设置两个对称的热管，可以在不同方向上吸热，满足换热的需求。

作为优选，所述水箱中设置药液。所述蒸发器是一种药物熏洗治疗功能的蒸发器。

作为优选，产生的蒸汽直接从蒸汽出口109出去。

作为另一个选择，所述蒸发器还包括药液蒸发箱，所述药液蒸发箱通过管路与水箱105连通，所述药液蒸发箱内设置雾化器，所述药液蒸发箱设置蒸汽出口。

所述的所述水箱内设置药物，所述药物浸泡在水中，使用时，在水箱内通过热管加热水，通过水来加热药物，从而在水箱105内产生药液。产生的药液通过管路进入药液蒸发箱内，并在药液蒸发箱内进行雾化，然后通过蒸汽出口排出。蒸汽出口可以直接对着患者的生病位置排放，用于治疗。

如附图1、2所示，所述燃烧器包括燃烧器座1，所述燃烧器座1上固定安装有用来放置水箱105的炉圈2，所述燃烧器座1内固定安装设有若干雾化孔7的燃烧头3，所述燃烧器座1的底部设有与燃气管道连接的供气口111，所述燃烧器座1上设有若干供给所述燃烧头3助燃空气的空气出口112，所述燃烧器座1的外侧设有与所述空气出口112连通的供风管4，所述供风管4上设有空气入口121，所述供风管道4的壳体包覆所述燃烧器座1，这样可利用燃烧器座1加热进入的空气，节约燃气热能。作为优选，从上部看，燃烧头3是圆形结构

若干的雾化孔7设置在燃烧头3上，可以使燃气达到最佳的雾化效果，以便燃气能充分燃烧，所述炉圈2呈喇叭状，所述炉圈2的口部为与所述水箱的外壁相应的圆形，可以使水箱受热均匀，快速提升锅内的温度，所述炉圈2、所述水箱和所述燃烧器座1形成防止火焰外泻的燃烧室5，使燃烧室内的火焰不再顺着锅底溢出，避免了高温火焰带走热能，解决了燃气供给总热量的20％-30％的热能流失现象，同时使周围的环境不再因为被高温火焰带走的热量而提高温度，改善了厨房内的操作环境；所述炉圈2为中空的夹层，所述炉圈2的内层夹壁 21靠近其口部设有若干回风口211，所述炉圈2的内部空腔与所述供风通道4 连通。

所述炉圈2上靠近底端的位置设有连通所述燃烧室5和外部的废气辅助排气口22，将充分燃烧后的气体排出燃烧室外，可以使燃烧室内的燃气更好的与新鲜空气混和，充分燃烧，抑制有害气体的产生。

所述炉圈2的外表面覆有保温材料8，所述炉圈2的内表面也可以同时覆有保温材料8。这样可以防止热量的散失，同时也使周围的环境不再因为热量的散失而提高温度。

风机把空气从空气入口、供风通道、空气出口鼓吹进入燃烧室，在燃烧室内与从供气口经过雾化孔雾化进入燃烧室内的燃气混和并燃烧，对水箱进行加热，也使燃烧室内气体的温度变高，大部分燃烧不充分的高温气体(这时高温气体的温度会达到800℃以上)会通过回风口211，经过炉圈的内部空腔、供风通道和空气出口再度回到燃烧室燃烧，使燃烧不充分的高温气体的热量不但得到回收利用，而且能使其充分燃烧，大大减少了燃气的用量，并抑制对人体危害极大的一氧化碳、氮氢化合物的生成，同时燃烧室内产生的部分废气从水箱和炉圈之间的空隙中排出，由于水箱和炉圈之间的空隙很小，所以燃烧的火焰不会从缝隙中溢出，使热量流失较少，少部分燃烧室内产生的废气通过废气辅助排气口排出。

作为优选，如图1、2所示，所述炉圈呈弧形结构。

作为优选，从下部向上部设置多个空气出口112，从下部到上部，空气出口分布的密度先是越来越大，在某一位置处，然后逐渐减小。通过设置多个空气出口112的上部到下部位置的分布密度的变化，通过上下位置的出风量小，使得上部到下部的助燃空气逐渐增加，然后逐渐减小，使得即使最大位置处空气量导致的空气团存在，但是通过上部下部的空气的量逐渐减小使得空气团和然后逐渐的充分混合，这样使得空气逐渐的与燃气混合，达到充分的混合效果，避免上部或者下部大量空气突然冲击燃气，使得空气形成大团的存在，造成空气燃气的混合不好。通过大量的实验和数值模拟的研究发现，通过上述设置，能够使得空气燃气充分混合，燃烧效果提高10%左右。在此需要说明的是，上述的成果是本申请人通过大量的研究得到的，并不是本领域的公知常识。

作为优选，从下部向上部设置多个空气出口，从下部到上部，空气出口分布的密度越来越大的幅度不断减小，在某一位置处开始，空气出口分布的密度逐渐减小的幅度越来越大。通过大量的实验和数值模拟研究发现，此设置能够使得空气和燃气更加充分的混合，提高燃烧效率。

作为优选，所述某一位置是炉圈2高度方向上的中间位置。

作为优选，从下部向上部设置多个空气出口112，从下部到上部，空气出口的直径先是越来越大，在某一位置处，然后逐渐减小。通过设置多个空气出口112的上部到下部位置的直径的变化，通过上下位置的出风量小，使得上部到下部的助燃空气逐渐增加，然后逐渐减小，使得即使最大位置处空气量导致的空气团存在，但是通过上部下部的空气的量逐渐减小使得空气团和然后逐渐的充分混合，这样使得空气逐渐的与燃气混合，达到充分的混合效果，避免上部或者下部大量空气突然冲击燃气，使得空气形成大团的存在，造成空气燃气的混合不好。通过大量的实验和数值模拟的研究发现，通过上述设置，能够使得空气燃气充分混合，燃烧效果提高10%左右。在此需要说明的是，上述的成果是本申请人通过大量的研究得到的，并不是本领域的公知常识。

作为优选，从下部到上部，空气出口直径越来越大的幅度不断减小，在某一位置处开始，空气出口直径逐渐减小的幅度越来越大。通过大量的实验和数值模拟研究发现，此设置能够使得空气和燃气更加充分的混合，提高燃烧效率。

作为优选，所述某一位置是炉圈2高度方向上的中间位置。

所述的竖直管为多个，沿着燃烧器的中心向外的径向方向，所述竖直管的分布密度越来越小。在数值模拟和实验中发现，沿着燃烧器的中心向外的径向方向，单个竖直管的受热量越来越小，而且不同位置的竖直管的温度也不同，从而造成局部受热不均匀。因为随着燃气的燃烧，燃气首先在中部燃烧，然后产生的高温气体从中心向外运动，因此中部向外受热量逐渐变小，而且因为越是向外，则因为直径的增加导致水平部分面积越大，导致单位面积上的分布的热量也越来越小，因此导致每个竖直管上分布的热量减小。这样会导致不同位置竖直管受热不均匀，导致温度不同。本发明通过在燃烧器的不同位置设置竖直管的密度不同，从而使的整体热管温度保持基本相同，从而提高整体的换热效率，节约材料，避免温度不均匀造成的局部损坏，延长热管的使用寿命。

作为优选，沿着燃烧器的中心向外的径向方向，所述竖直管的分布密度越来越小的幅度不断的增加。作为竖直管分布密度的变化，本发明进行了大量的数值模拟和实验，从而得到上述的竖直管分布密度的变化规律。通过上述的变化规律，能够节约材料，同时还能够提高9%左右的换热效率。

作为优选，所述每个竖直管103的直径和长度都相同。

作为优选，所述的竖直管103为多个，沿着燃烧器的中心向外的径向方向，所述竖直管的管径越来越小。具体原因与前面竖直管分布密度的原因相同。

作为优选，沿着燃烧器的中心向外的径向方向，所述竖直管的管径越来越小的幅度不断的增加。具体原因与前面竖直管分布密度的原因相同。

作为优选，所有竖直管103的分布密度和长度都相同。

作为优选，沿着燃烧头3的中心向外的径向方向，所述的雾化孔7的分布密度越来越小。保证燃气从外部向中间的数量分布逐渐增加，大量的燃气位于中部位置充分燃烧，燃烧的时候从中部燃烧然后烟气从回流孔211排出，使得烟气能够全部加热面进行加热，保证整体加热的均匀。

作为优选，沿着燃烧头3的中心向外的径向方向，所述的雾化孔7的分布密度越来越小的幅度不断增加。作为雾化孔分布密度的变化，本发明进行了大量的数值模拟和实验，从而得到上述的分布密度的变化规律。通过上述的变化规律，能够进一步保证加热的均匀。

作为优选，沿着燃烧头3的中心向外的径向方向，所述的雾化孔7的直径越来越小。

作为优选，沿着燃烧头3的中心向外的径向方向，所述的雾化孔7的直径越来越小的幅度不断增加。主要原因与前面相同。

作为优选，如图1所示，水箱105和燃烧器形成圆球结构，所述圆球104分为上部和下部两部分，上部为水箱105，下部为燃烧器。通过上述的设置，可以将热管以及换热的流体都全部设置在圆球中，这样可以充分利用外部空间，达到结构紧凑的目的。

作为优选，如图1所示，所述上部的截面积是下部截面积的50-80%，进一步优选为60-70%。通过上述的面积分布，可以使得热管的吸热和散热达到均匀协调的目的。

作为优选，如图1所示，所述圆球中设置两个热管，所述热管10的竖直部分101靠近设置。

图2展示了热管在烟道中的第二个分布的实施例。如图2所示，所述的水箱105截面为梯形结构。梯形结构的上底位于竖直部分101的上部，下底位于水平部分上部。通过设置图2所示的新式的梯形结构，可以进一步提高换热效率。因为随着热管的竖直部分向上，热管的竖直部分不断的参与换热，因此竖直部分下部温度最高，通过设置梯形结构，可以使得下部热水多，上部热水少，达到均匀换热的目的。而且通过设置梯形结构，可以使得外部结构紧凑，外部空间可以实现充分利用。例如可以将梯形结构腰的位置设置其他物体，例如需要干燥的物体。

作为优选，所述梯形结构的上底是下底的40-60%，进一步优选是50%。

作为优选，所述梯形是等腰梯形。

进一步优选，所述梯形的下底与腰形成的夹角是29-67°，优选是40-50°。

通过上述的结构优化，能够最大程度上实现换热的均匀以及换热效率的提高。

作为优选，如图3、4所示，所述系统中包括了两个热管，所述两个热管的水平部分102分别朝向相对的方向延伸.通过设置两个对称的热管，可以在不同方向上吸热，满足换热的需求。

作为优选，相邻的热管的竖直管103之间设置连通管。例如互相靠近的两个热管的竖直管103之间设置连通管。通过设置连通管，可以避免热管蒸发端之间受热不均匀，实现热管之间的压力均衡，避免不同热管之间的受热不均匀导致的缺陷。

作为优选，从竖直管103下部向竖直管103上部，相邻连通管之间的距离不断减小。此目的是为了设置更多的连通管，因为随着流体的向上流动，流体不断的受热，随着流体不断的受热，不同热管内的受热越来越不均匀，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，从竖直管103下部向竖直管103上部，相邻连通管之间的距离不断减小的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

作为优选，从竖直管103下部向竖直管103上部，连通管的直径不断增加。此目的是为了设置保证更大的连通面积，因为随着流体的向上流动，流体不断的受热，随着流体不断的受热，不同热管内的受热越来越不均匀，因此通过上述设置，能够保证在流体流动过程中尽快的达到压力均衡。

作为优选，从竖直管103下部向竖直管103上部，连通管的直径不断增加的幅度越来越大。通过实验发现，上述设置，能够保证在流体流动过程中更优更快的达到压力均衡。这也是通过大量的研究压力分布变化规律而得来的最佳的连通方式。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (4)

1.一种燃烧雾化孔分布的优化设计方法，燃烧器包括燃烧器座，所述燃烧器座内固定安装设有若干雾化孔的燃烧头，沿着燃烧头的中心向外的径向方向，所述雾化孔的管径是不断变化的，管径变化采取如下优化设计方法：G（r）’>0,0<r<T；

T是半径。

2.如权利要求1所述的设计方法，其特征在于，G（r）”>0, 0<r<T。

3.一种蒸汽发生器，包括汽包和燃烧室，汽包设置在燃烧室上部，所述汽包设置在燃烧器上部，还包括热管，所述热管包括竖直部分、水平部分和竖直管，其中竖直部分的底端连通水平部分，所述热管为至少两个，相邻的热管的竖直管之间设置连通管，沿着高度方向上，T（h）’<0,0<h<L；

L是总高度。

4.如权利要求3所述的蒸汽发生器，其特征在于，T（h）”>0,0<h<L。