CN111023093A - 一种基于旋流的流体工质快速加热方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于旋流的流体工质快速加热方法及装置，属于燃烧热交换技术领域。本发明创造性地在燃烧热交换装置中，利用环形燃烧器内旋流火焰的内外火焰面来加热流体工质，极大的提高了旋流火焰的热量利用率，并促进燃料燃烧完全，减少了污染物排放。该装置充分利用了旋流火焰的流动特性和火焰稳定性。装置的燃气和待加热流体，均使用旋流方式通入。燃料和氧化剂在截面为环形的管道内产生旋流运动并燃烧。旋流火焰的管道内外均为旋流待加热流体。燃料和待加热流体的旋流状态可以增大燃料燃烧时间并且扩大换热效率，稳定的旋流火焰的燃烧产物相比普通燃烧方式的燃烧产物燃烧更充分，碳烟、氮氧化物等有害气体的排放更少。

Description

一种基于旋流的流体工质快速加热方法及装置
技术领域
本发明涉及一种旋流加热方法及装置，具体涉及一种基于旋流的流体工质快速加热方法及装置，属于燃烧热交换技术领域。
背景技术
燃烧是将能量从燃料中传递到其他介质的最便捷迅速的方式。当前，化石燃料占据了社会生产和日常生活的能量来源的很大一部分，但是，化石燃料燃烧产生的温室气体、氮氧化物、硫化物、碳烟等，造成了日益严重的环境问题，燃烧的不完全更会导致能源的浪费和有毒有害物质的生成。因此，高效、环保地利用化石燃料，是发展经济且环保的能源方法及装置的关键之一。
同时，普通的燃烧热交换装置，其热量利用率较低，大量的热量随着废气的排放而损失。一般改善换热效率的方式是通过改变燃烧器内换热结构布局，比如增加换热管等等，这种方式效率不高，而且会改变燃烧器的燃烧特性，有可能会影响火焰的稳定性。因此，需要一种新型的燃烧换热方式及装置，在高效、环保利用燃料的同时，扩大燃烧热量利用率。
近年来，旋流火焰成为了燃烧领域的一个重要研究方向，其高效的掺混效果和火焰稳定性，有利于充分利用燃料、促进燃烧完全、减少污染物排放。旋流火焰在工业尾气处理、家用燃气等领域有较多的利用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，为有效改善现有换热效率方式及装置存在的燃烧效率低、燃烧不充分、换热效率低等问题，提出一种基于旋流的流体工质快速加热方法，以及一种使用气体燃料的旋流火焰流体加热装置。
本发明，创造性地在燃烧热交换装置中，利用环形燃烧器内旋流火焰的内外火焰面来加热流体工质，极大的提高了旋流火焰的热量利用率，并促进燃料燃烧完全，减少了污染物排放。该装置充分利用了旋流火焰的流动特性和火焰稳定性。装置的燃气和待加热流体，均使用旋流方式通入。燃料和氧化剂在截面为环形的管道内产生旋流运动并燃烧。旋流火焰的管道内外均为旋流待加热流体。燃料和待加热流体的旋流状态可以增大燃料燃烧时间并且扩大换热效率，稳定的旋流火焰的燃烧产物相比普通燃烧方式的燃烧产物燃烧更充分，碳烟、氮氧化物等有害气体的排放更少。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种基于旋流的流体工质快速加热方法，利用旋流火焰的流动特性和火焰稳定性，使用旋流装置将待加热流体通入，使流体在燃烧腔体内外均为旋流运动状态，且内外流体的旋向和燃气的旋向相反。利用气体燃料和氧化剂在环形燃烧腔体内混合并燃烧产生的高温旋流火焰加热待加热流体，火焰的内外均参与换热，并且不损害火焰的结构。
基于上述方法，本发明提出了一种基于旋流的流体工质快速加热装置，包括：外罩、环形燃烧腔体、燃气旋流发生装置、外流体旋流发生装置和内流体旋流发生装置。
其中，环形燃烧腔体有多个排气管，其均匀分布在环形燃烧腔体末尾的外侧。
排气管通过外罩壁面的开孔伸出加热装置。在外罩的末尾有较小的流体出口，用于排出加热后的流体工质。
环形燃烧腔体内部为燃烧室，通过燃气旋流发生装置通入燃料和氧化剂。其中，燃烧方式可以选择预混燃烧方式，或急速混合燃烧方式。当采用预混燃烧方式时，由燃料和氧化剂形成的预混气体，在环形燃烧腔体内部产生旋流运动并燃烧；当采用急速混合燃烧方式时，燃料和氧化剂在环形燃烧腔体内产生旋流运动掺混并燃烧。
环形燃烧腔体内外分别为内层流体和外层流体。内层流体通过内流体旋流发生装置通入，在环形燃烧腔体的中心圆柱区域产生旋流；外层流体通过外流体旋流发生装置通入，在环形燃烧腔体的外部环形区域产生旋流。
其中，外罩、环形燃烧腔体、燃气旋流发生装置、内流体旋流发生装置、外流体旋流发生装置采用同轴安装。其中，内流体旋流发生装置的旋向和外流体旋流发生装置的旋向相同，燃气旋流发生装置的旋向与二者相反。
上述装置的工作方法为：
使用急速混合燃烧方式时，将燃料和氧化剂按照预定比例的质量流量，从燃气旋流发生装置的进气通道通入，在环形燃烧腔体内混合并保持旋流流动状态，然后点火使其产生旋流火焰；使用预混燃烧方式时，燃料和氧化剂的混合气体通入燃气旋流发生装置，产生旋流并点火。
燃烧尾气通过均匀分布在环形燃烧腔体末尾的排气管排出。待加热流体通过外流体旋流发生装置和内流体旋流发生装置进入。
待加热流体可以是气体，也可以是液体。当待加热流体是液体时，需降低流体通入速率，以保证加热效果。
旋流火焰的内部和外部均参与到和流体的换热过程，充分利用了旋流火焰的火焰结构和稳定性。燃烧腔体尾部的排气管起到了换热的作用，燃烧尾气中的热量得到了较大幅度的利用，避免热量在尾气中的淤积。同时，均匀分布的排气管可以扰乱外部流体的旋流流动，以促进内部流体和外部流体的混合，减小加热不均的影响。旋流火焰因为旋流效果的影响，其滞留时间更长，参与换热的时间更长，同时旋流火焰的稳定结构保证了加热效果的均匀性。待加热流体的旋流状态也创造了更理想的换热条件，内外旋流流体与燃气的旋向相反可以增加流体的换热时间，并且流体保持旋流运动有利于热量在流体中的扩散，从而保证燃烧腔体壁面附近的温度梯度始终保持在一个比较大的范围，有利于提高传热速率。当采用急速混合燃烧时，旋流火焰中燃料和氧化剂优秀的掺混效果保证了燃烧的完全，减少了碳烟和氮氧化物的生成。
有益效果
1.本发明公开的一种基于旋流的流体工质快速加热方法及装置，利用气体燃料和氧化剂在环形燃烧腔体内混合并燃烧产生的高温旋流火焰加热待加热流体。充分利用了旋流火焰的结构特点和火焰稳定性。火焰的内外均参与换热，并且不损害火焰的结构，相比传统的利用燃烧火焰加热的换热装置更能保证燃烧本身的稳定性。同时其稳定的管状火焰也保证了加热效果的稳定均衡。
2.本发明公开的一种基于旋流的流体工质快速加热方法及装置，使用旋流装置将待加热流体通入，使流体在燃烧腔体内外均为旋流运动状态，且内外流体的旋向和燃气的旋向相反。旋流运动的流体可以保证热量在待加热流体中的传递，避免近燃烧腔体壁面的流体局部高温，使燃烧腔体壁面附近始终维持较大温度梯度，有利于保持较高的热量传递速率。内外流体旋向和燃气旋向相反可以增大换热时间。这种特性使得即使在待加热流体的总体速率较大的情况下，也能保证旋流运动的流体换热效果的高效稳定。
3.本发明公开的一种基于旋流的流体工质快速加热方法及装置，其燃烧腔体尾部的多个排气管道均匀分布，有利于分散尾气中的热量，更大的接触面体使得热量更高效地传递到流体中，避免了尾气热量淤积而无法有效传递到待加热流体中的情况。排气管道通过外层加热流体，可以扰乱外层流体的旋流运动，产生较强的湍流效果，利于和内部加热流体在加热装置尾部的混合，解决了热量在流体中分布不均匀的问题。
4.本发明公开的一种基于旋流的流体工质快速加热方法及装置，其使用的旋流火焰燃烧稳定且完全，有效避免了碳烟等未完全燃烧产物的生成。同时其高效的换热效果及时传导了火焰的热量，减少了热力型氮氧化物的生成。达到节能减排的目的。
附图说明
图1为加热装置结构示意图；
图2为加热装置截面A-A结构示意图；
其中，1-外罩、2-环形燃烧腔体、3-外流体旋流发生装置、4-燃气旋流发生装置、5-内流体旋流发生装置。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合图示对本发明的具体实施方式来进一步说明。
实施例
一种基于旋流的流体工质快速加热装置，如图1所示，包括：外罩1、环形燃烧腔体2、外流体旋流发生装置3、燃气旋流发生装置4、内流体旋流发生装置5。
本实施例中，环形燃烧腔体2有4个排气管道，其均匀分布在环形燃烧腔体2末尾的外侧，排气管道通过外罩1壁面的开孔伸出加热装置，环形燃烧腔体2材料选用铜。外罩1的末尾有较小的出口，用于排出加热后的流体工质。环形燃烧腔体2内部为燃烧室，通过燃气旋流发生装置4通入燃料和氧化剂，本实施例选择急速混合燃烧方式，燃料和氧化剂分别从不同的入口通入燃气旋流发生装置4，在环形燃烧腔体2内产生旋流运动进行掺混并燃烧。环形燃烧腔体2内外分别为内层流体和外层流体。内层流体通过内流体旋流发生装置5通入，在环形燃烧腔体中心圆柱区域产生旋流；外层流体通过外流体旋流发生装置3通入，在环形燃烧腔体外部环形区域产生旋流。内流体旋流发生装置5、燃气旋流发生装置4、外流体旋流发生装置3、环形燃烧腔体2、外罩1同轴安装。其中内流体旋流发生装置5的旋向和外流体旋流发生装置3的旋向相同，燃气旋流发生装置4的旋向与二者相反。本实施例中，以上旋流发生装置均采用切向射入的方式产生旋流，流体工质为空气，燃料为甲烷，氧化剂为氧气。
本发明装置的工作方法为：使用该加热装置前需进行管路安装，分别在旋流发生装置3、4、5上连接转接头和气体管路，加热流体出口安装好收集管道和装置，4个尾气出口安装好气体收集装置，集中收集并处理尾气。首先从内流体旋流发生装置5、外流体旋流发生装置3中分别通入质量流量0.4kg/h、0.8kg/h的待加热空气。然后分别以0.2kg/h、0.8kg/h的质量流量通入甲烷、氧气到燃气旋流发生装置4，该质量流量保证燃烧当量比在1左右。甲烷、氧气在环形燃烧腔体2内产生旋流运动并混合，待气流稳定后启动火花塞点火，在环形燃烧腔体2内部形成旋流火焰。燃烧尾气通过均匀分布在环形燃烧腔体2末尾的排气管排出，这有利于分散尾气中的热量，更大的接触面使得热量更高效地传递到流体中。燃气和内外流体的相反旋向旋流运动状态增大了换热接触时间，也提升了加热速率。流体的旋流运动促进热量在待加热流体中的扩散，始终保持环形燃烧腔体2壁面附近有较高的温度梯度。加热装置尾部内外加热流体相互混合，促进温度的均匀分布。稳定的管状旋流火焰促进了燃烧的完全，高效的换热可以及时传递火焰中的热量，减少热力型氮氧化物的生产，达到节能减排的目的。
以上所述的描述对本发明的目的、方法及装置方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施过程，用于解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于旋流的流体工质快速加热方法，其特征在于，利用旋流火焰的流动特性和火焰稳定性，使用旋流装置将待加热流体通入，使流体在燃烧腔体内外均为旋流运动状态，且内外流体的旋向和燃气的旋向相反；利用气体燃料和氧化剂在环形燃烧腔体内混合并燃烧产生的高温旋流火焰加热待加热流体，火焰的内外均参与换热。
2.一种基于旋流的流体工质快速加热装置，其特征在于，包括外罩(1)、环形燃烧腔体(2)、燃气旋流发生装置(3)、外流体旋流发生装置(4)和内流体旋流发生装置(5)；
其中，环形燃烧腔体(2)包括多个排气管，均匀分布在环形燃烧腔体(2)末尾的外侧；排气管通过外罩(1)壁面的开孔伸出加热装置；
在外罩(1)末尾有流体出口，用于排出加热后的流体工质；
环形燃烧腔体(2)内部为燃烧室，通过燃气旋流发生装置(3)通入燃料和氧化剂，并在环形燃烧腔体(2)内产生旋流运动并燃烧；环形燃烧腔体(2)内外分别为内层流体和外层流体，内层流体通过内流体旋流发生装置(5)通入，在环形燃烧腔体(2)的中心圆柱区域产生旋流；外层流体通过外流体旋流发生装置(4)通入，在环形燃烧腔体(2)的外部环形区域产生旋流；
外罩(1)、环形燃烧腔体(2)、燃气旋流发生装置(3)、内流体旋流发生装置(4)、外流体旋流发生装置(5)采用同轴安装；其中，内流体旋流发生装置(4)的旋向和外流体旋流发生装置(5)的旋向相同，燃气旋流发生装置(3)的旋向与二者相反；
上述装置的工作过程为：
燃料和氧化剂从燃气旋流发生装置(3)的进气通道通入环形燃烧腔体(2)内，点火燃烧；燃烧尾气通过均匀分布在环形燃烧腔体(2)末尾的排气管排出，待加热流体通过外流体旋流发生装置(5)和内流体旋流发生装置(4)进入。
3.如权利要求2所述的一种基于旋流的流体工质快速加热装置，其特征在于，向环形燃烧腔体(2)通入燃料和氧化剂时，采用预混燃烧方式，由燃料和氧化剂形成的预混气体在环形燃烧腔体(2)内部产生旋流运动并燃烧。
4.如权利要求2所述的一种基于旋流的流体工质快速加热装置，其特征在于，向环形燃烧腔体(2)通入燃料和氧化剂时，采用急速混合燃烧方式，燃料和氧化剂在环形燃烧腔体(2)内产生旋流运动掺混并燃烧。
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