CN110296435B - 一种多功能可调节的低污染燃烧可视化装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，其特征在于，包括燃烧室、进气装置和尾气处理装置；所述进气装置包括进气内管和进气外管，所述进气内管位于进气外管内部，所述进气内管设有第一燃料进口；所述进气外管上分别设有第二燃料进口和氧化剂进口；所述进气内管与进气外管共同通过旋流器与燃烧室导通；所述燃烧室为可视燃烧室；所述燃烧室上设有若干喷管，用于向燃烧室喷射空气；所述尾气处理装置与燃烧室连接。本发明可以能够产生不同的湍流强度、稳定的涡旋气流、稳定的高速反吹射流，可对湍流强度、旋流数、卷吸率等参数对燃烧进程及燃烧产物的影响进行定量研究。

Description

一种多功能可调节的低污染燃烧可视化装置

技术领域

本发明涉及动力发动机领域，特别涉及一种多功能可调节的低污染燃烧可视化装置。

背景技术

无焰燃烧作为一种新型的清洁燃烧技术，能直接在燃烧过程中降低氮氧化物的产生，经参数调节，燃烧后的产物甚至达到了排放标准，不需要进行后处理，受到科学界和工程界的一致欢迎。目前实现无焰燃烧的主要方式是通过高速射流将燃料和气体送入被预热至可燃气自燃温度以上的燃烧室中，高速射流卷吸大量烟气形成高温低氧环境，从而减少热力型污染物的产生。然而燃烧室预热温度在可燃气自燃温度以上这一条件比较苛刻，华中科技大学的龚晨研究表明，只要含氧量低，卷吸率高，燃烧室温度不需要预热至自燃温度以上也能实现低污染燃烧，卷吸率够高的情况下甚至能够实现无焰燃烧。

燃烧过程中产生的大量氮氧化物、碳烟颗粒是近年空气污染的主要成因之一，控制燃烧过程中的污染物是改善环境问题的必要举措，污染物生成的量与燃烧方式、掺混状态、湍流强度、旋流数、卷吸率等参数密切相关。现有燃烧装置普遍针对某种燃烧方式单独设计，无法进行多种燃烧方式的调节。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，旨在研究甲烷、氢气、二甲醚、一氧化碳等多种燃气与氧化剂在不同掺混状态，不同湍流强度、不同旋流数等条件下的传统燃烧或不同卷吸率的无焰燃烧。解决了现有燃烧试验台装置中的缺陷和不足，该装置操作简单，能实现多种燃烧方式的调节，包括完全预混、扩散和无焰燃烧；能够产生不同的湍流强度、稳定的涡旋气流、稳定的高速反吹射流，可对湍流强度、旋流数、卷吸率等参数对燃烧进程及燃烧产物的影响进行定量研究。自动控制系统能够根据气体掺混、脉动与旋转流动发生装置中燃气与氧化剂的流量自动控制尾气处理装置中空气的进气压力、流量以改变卷吸率。特别的，该装置能够形成低氧高温环境，实现低污染，减少了热力型氮氧化物的产生，同时尾气净化装置能够很好地降低传统燃烧产生的一氧化碳、碳烟及氮氧化物，使燃烧尾气达到排放标准。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，其特征在于，包括燃烧室、进气装置和尾气处理装置；所述进气装置包括进气内管和进气外管，所述进气内管位于进气外管内部，所述进气内管设有第一燃料进口；所述进气外管上分别设有第二燃料进口和氧化剂进口；所述进气内管与进气外管共同通过旋流器与燃烧室导通；

所述燃烧室为可视燃烧室；所述燃烧室上设有若干喷管，用于向燃烧室喷射空气；所述尾气处理装置与燃烧室连接。

进一步，所述燃烧室包括腔体和透视镜，所述腔体上安装透视镜，所述腔体上对称设有若干喷管，所述腔体上设有进气口，所述进气口上安装旋流器，用于连通进气内管与进气外管。

进一步，若干所述喷管为渐缩型喷管，所述渐缩型喷管的半锥角为10-12°。

进一步，若干所述喷管与所述腔体上进气口相对设置，若干所述喷管中心线交点与所述进气口的中心重合，用于形成反吹射流。

进一步，所述进气外管内至少设有1个环形湍流产生板，所述环形湍流产生板上设有若干湍流产生孔。

进一步，所述旋流器内设有旋转叶片，用于使气流做螺旋运动。

进一步，所述尾气处理装置包括管壳式换热器和尾气净化装置；所述管壳式换热器与燃烧室出口连接，用于冷却燃烧废气；所述尾气净化装置与管壳式换热器连接，用于净化燃烧废气；所述管壳式换热器冷却管出口与喷管，用于预热喷射的空气。

进一步，还包括自动控制系统，所述第一燃料进口、第二燃料进口和氧化剂进口分别设有流量传感器，所述自动控制系统根据第一燃料进口的流量、第二燃料进口的流量和氧化剂进口的流量控制所述喷管喷出的压力和流量，用于改变燃烧室的卷吸率。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，可对不同掺混状态，不同湍流强度、不同旋流数等参数下的传统燃烧或不同卷吸率、不同湍流强度、不同旋流数的无焰燃烧开展系统性的测量研究。

2.本发明所述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，通过喷管中心线交点与进气口中心重合，形成反吹射流，卷吸率大。高速反吹射流迅速充分卷吸燃烧腔体内的烟气并稀释可燃气体，形成高温低氧的环境，降低热力型氮氧化物的产生。

3.本发明所述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，通过进气内管与进气外管共同通过旋流器与燃烧室导通，气体流经旋流器旋转叶片，气流做螺旋运动，旋转射流的切向速度使混合气扩散，旋转扩散的气流卷走火焰中心气体，形成负压，下流混合气逆流产生回流区，形成稳定火焰。

4.本发明所述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，根据第一燃料进口的流量、第二燃料进口的流量和氧化剂进口的流量控制所述喷管喷出的压力和流量，可以改变燃烧室的卷吸率。

附图说明

图1为本发明所述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置结构图。

图2为图1中的A-A剖视图。

图3为图2中B局部放大图。

图4为图2中C局部放大图。

图5为图2中D局部放大图。

图6为本发明所述的环形湍流产生板主视图。

图中：

1-第一燃料进口；2-进气内管；3-第二燃料进口；4-氧化剂进口；5-管道接头；6-进气外管；7-环形湍流产生板；8-旋流器；9-压板；10-螺纹孔；11-透视镜；12-点火装置；13-腔体；14-密封垫圈；15-螺纹孔；16-喷管；17-高压常温空气进口；18-高压热空气出口；19-管壳式换热器；20-尾气净化装置；21-尾气管道；22-自动控制系统；23-湍流产生孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

如图1所示，本发明所述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，包括燃烧室、进气装置和尾气处理装置；

如图2、图3、图4和图5所示，所述进气装置包括进气内管2和进气外管6，所述进气内管2位于进气外管6内部，所述进气内管2设有第一燃料进口1；管道接头5周向设置的第二燃料进口3和氧化剂进口4，所述管道接头5内固定进气外管6，第二燃料进口3和氧化剂进口4与进气外管6导通，所述进气内管2穿过管道接头5。所述的管道接头5在连接时应用密封带，防止气体从管道连接处泄漏，对测量造成误差。所述进气内管2与进气外管6共同通过旋流器8与燃烧室导通；如图6所示，所述进气外管6内至少设有1个环形湍流产生板7，所述环形湍流产生板7上设有若干湍流产生孔23。通过使用不同开孔孔径、开孔比的所述湍流产生板7，或者改变环形湍流产生板7个数或者相邻湍流产生板之间的距离，从而产生不同湍流度。

所述燃烧室包括腔体13和透视镜11，所述腔体13上安装透视镜11，所述腔体13上对称设有若干喷管16，所述腔体13上设有进气口，通过螺纹10将压板9安装在进气口附近，所述压板9压紧旋流器8，用于连通进气内管2与进气外管6。所述旋流器为金属3D打印部件，加工精度高，具有8个沿周向均匀布置的螺旋扇面，可以根据实验所需要气流旋转强度的大小来选择合适的螺旋角度。进气内管2与进气外管6内气体进入旋流器，气体流经旋流器旋转叶片，气流做螺旋运动，旋转射流的切向速度使混合气扩散。旋转扩散的气流卷走火焰中心气体，形成负压，下流混合气逆流产生回流区，形成稳定火焰。透视镜11为透明高纯二氧化硅耐高温玻璃。透视镜11通过螺纹15与腔体13连接；一般腔体13呈方形；所述腔体13的右壁面设有点火装置12；若干所述喷管为渐缩型喷管，所述渐缩型喷管的半锥角为10-12°，可以保证气体平缓加速。干所述喷管与所述腔体13上进气口相对设置，若干所述喷管中心线交点与所述进气口的中心重合，用于形成反吹射流，卷吸率大。高速反吹射流迅速充分卷吸燃烧腔体内的烟气并稀释可燃气体，形成高温低氧的环境，降低热力型氮氧化物的产生。

所述尾气处理装置包括管壳式换热器19和尾气净化装置20；所述管壳式换热器19与燃烧室出口连接，用于冷却燃烧废气；所述尾气净化装置20与管壳式换热器19连接，用于净化燃烧废气，所述尾气净化装置20出气端接尾气管道21；所述管壳式换热器19冷却管出口与喷管16，用于预热喷射的空气。所述管壳式散热器19的右壁面左下角处设置有高压常温空气进口17、左壁面左上角处设置有高压热空气出口18；高压常温空气进口17为管壳式换热器19冷却介质的入口，高压热空气出口18为管壳式换热器19冷却介质的出口，所述高压热空气出口18与喷管16连接。

所述第一燃料进口1、第二燃料进口3和氧化剂进口4分别设有流量传感器，所述自动控制系统22根据第一燃料进口1的流量、第二燃料进口3的流量和氧化剂进口4的流量控制所述喷管16喷出的压力和流量，用于改变燃烧室的卷吸率。

本发明提供一种预混燃烧方法，采用上述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置来实现，包含以下步骤：

S1、燃气从第二燃料进口3进入进气外管6，氧化剂从氧化剂进口4进入进气外管6，实现燃气和氧化剂第一次的混合；

S2、混合气体经过湍流产生板7，湍流产生板破碎气流团，加速预混合效果，确保燃料与空气能够充分预混并形成一定的湍流度；混合气在进气外管6中充分扩散混合，形成均匀预混合气体；

S3、均匀预混合气体进入旋流器8，气体流经旋流器旋转叶片，气流做螺旋运动，旋转射流的切向速度使混合气扩散。旋转扩散的气流卷走火焰中心气体，形成负压，下流混合气逆流产生回流区；

S4、在燃烧室中点火，形成稳定火焰并进行相应的激光和光学诊断实验；

S5、燃烧废气进入尾气管道21，经尾气净化装置20净化后排出。

本发明提供两种扩散燃烧方法，采用上述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置来实现，第一种扩散燃烧包含以下步骤：

S1、燃气从第一燃料进口1进入进气内管2，氧化剂从氧化剂进口4进入进气外管6；

S2、氧化剂经过湍流产生板7，湍流产生板破碎气流团，产生具有一定湍流度的湍流；

S3、燃气、氧化剂分别进入旋流器8，气体流经旋流器旋转叶片，气流做螺旋运动，旋转射流的切向速度使燃气与氧化剂迅速接触扩散。旋转扩散的气流卷吸四周气体，形成负压，下流混合气逆流产生回流区；

S4、在燃烧室中点火，形成稳定火焰并进行相应的激光和光学诊断实验；

S5、燃烧废气进入尾气管道21，经尾气净化装置20净化后排出。

本发明提供两种扩散燃烧方法，采用上述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置来实现，第二种扩散燃烧包含以下步骤：

S1、燃气从第一燃料进口1进入进气内管2，氧化剂从喷管16喷入燃烧室；

S2、燃气进入旋流器8，气体流经旋流器旋转叶片，气流做螺旋运动，旋转射流的切向速度使燃气与氧化剂迅速接触扩散。旋转扩散的气流卷吸四周气体，形成负压，下流混合气逆流产生回流区；

S3、氧化剂经喷管16加速形成高速反吹射流，反吹射流的引入在燃烧腔体内产生一个滞止区，流速在该区域明显减慢，形成空气动力稳燃区，稳定火焰；

S4、在燃烧室中点火，形成稳定火焰并进行相应的激光和光学诊断实验；

S5、燃烧废气进入尾气管道21，经尾气净化装置20净化后排出。

本发明还提供一种低污染燃烧方法，采用上述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置来实现，包含以下步骤：

S1、燃烧室腔体经上述预混燃烧方法或扩散燃烧方法预热；

S2、自动控制系统22控制第一燃气进口1、氧化剂进口4和高压常温空气进口17的进气流量；

S3、高压常温空气由高压常温空气进口17进入管壳式换热器19加热，加热后的形成高压热空气由高压热空气出口18流出；

S4、高压热空气进入喷管16进行加速；

S5、加速后的高压热空气射入腔体13，迅速卷吸大量烟气并稀释可燃气体，形成高温低氧的环境，调整卷吸率可形成无焰燃烧，污染极低；

S6、燃烧废气进入尾气管道21，尾气污染极低，直接排向大气环境。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，其特征在于，包括燃烧室、进气装置和尾气处理装置；所述进气装置包括进气内管(2)和进气外管(6)，所述进气内管(2)位于进气外管(6)内部，所述进气内管(2)设有第一燃料进口(1)；所述进气外管(6)上分别设有第二燃料进口(3)和氧化剂进口(4)；所述进气内管(2)与进气外管(6)共同通过旋流器(8)与燃烧室导通；所述燃烧室包括腔体(13)和透视镜(11)，所述腔体(13)上安装透视镜(11)，所述腔体(13)上对称设有若干喷管(16)，所述腔体(13)上设有进气口，所述进气口上安装旋流器(8)，用于连通进气内管(2)与进气外管(6)；若干所述喷管与所述腔体(13)上进气口相对设置，若干所述喷管中心线交点与所述进气口的中心重合，用于形成反吹射流；

所述燃烧室为可视燃烧室；所述燃烧室上设有若干喷管(16)，用于向燃烧室喷射空气；所述尾气处理装置与燃烧室连接。

2.根据权利要求1所述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，其特征在于，若干所述喷管为渐缩型喷管，所述渐缩型喷管的半锥角为10-12°。

3.根据权利要求1所述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，其特征在于，所述进气外管(6)内至少设有1个环形湍流产生板(7)，所述环形湍流产生板(7)上设有若干湍流产生孔(23)。

4.根据权利要求1所述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，其特征在于，所述旋流器(8)内设有旋转叶片，用于使气流做螺旋运动。

5.根据权利要求1所述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，其特征在于，所述尾气处理装置包括管壳式换热器(19)和尾气净化装置(20)；所述管壳式换热器(19)与燃烧室出口连接，用于冷却燃烧废气；所述尾气净化装置(20)与管壳式换热器(19)连接，用于净化燃烧废气；所述管壳式换热器(19)冷却管出口与喷管(16)，用于预热喷射的空气。

6.根据权利要求1所述的多功能可调节的低污染燃烧可视化装置，其特征在于，还包括自动控制系统(22)，所述第一燃料进口(1)、第二燃料进口(3)和氧化剂进口(4)分别设有流量传感器，所述自动控制系统(22)根据第一燃料进口(1)的流量、第二燃料进口(3)的流量和氧化剂进口(4)的流量控制所述喷管(16)喷出的压力和流量，用于改变燃烧室的卷吸率。

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