CN111678128A - 一种基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统及燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统及其方法，属于能源与环境领域。该系统包括燃烧单元和蒸发雾化单元，所述蒸发雾化单元包括蒸发雾化腔，所述蒸发雾化腔通过第一不锈钢管路与所述燃烧单元连接，在所述第一不锈钢管路除交叉和转弯处的外表面设置有第一加热带，所述第一加热带与第一热电偶及温控器连接。本系统和方法一方面可以精确控制实验过程中各部分的温度，可以针对不同液体燃料，提供不同的气化温度和管路保温温度，避免了加热温度低，气化后的液体再液化以及加热温度过高，浪费能源等问题；另一方面，解决了燃烧效率低和燃烧火焰不稳定等问题，并可以在实验室内进行火焰燃烧特性以及排放特性的研究。
Description
技术领域
本发明属于能源与环境技术领域，具体涉及一种基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统及燃烧方法。
背景技术
随着时代的发展与社会的进步，小汽车成为了家家户户必不可少的代步工具，小汽车的使用必然会产生NOX、SOX以及碳烟等污染物，造成环境污染以及危害人类健康。如何提高液体燃料的燃烧效率、降低污染物的排放以及降低运行的成本成为目前研究的热点以及难点。
生物质液体燃料作为一种可再生燃料，具有挥发率高，燃点低，燃烧效率高，污染小，原料来源广泛等优点；但它同时也具有对设备要求高，燃料本身粘度大、热值低等劣势。
如已经发表的论文《汽/柴油混合燃料火焰中的碳烟生成特性》，供气系统仅采用加热带加热，加热功率低、加热慢，很难达到较高的预设温度且精度较差。
又如公开号为CN109520759A公开了一种以航空煤油为燃料的预混预蒸发本生灯燃烧试验装置，采用注射泵对燃料流量进行控制，该方法简单，但对燃料范围有很大的限制，精度较低，且不能保证火焰的稳定性。
再如公开号为CN106439805A公开了一种基于实验室的生物质液体雾化蒸发燃烧系统及其方法，涉及生物质燃料从蒸发雾化到燃烧的一套装置以及实验方法。它在生物质液体燃料进入蒸发雾化腔之前，对生物质液体燃料进行了提前的预加热，增大燃料自身携带的能量，有助于燃料在蒸发雾化腔内的完全气化，气化后的燃料直接通入燃烧器的燃料侧在来自氧化剂侧的空气以及氧气的气氛下完成燃烧。此液体雾化蒸发系统虽然解决了液体蒸发雾化的问题，但是未考虑从蒸发雾化腔到燃烧器发生冷凝的问题。
发明内容
1.要解决的问题
针对上述现有的技术存在的问题及不足，本发明提供了一种基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统及其方法，对蒸发雾化的液体燃料进行保温处理，从而保证到达燃烧器的燃料侧的温度和预设的温度相一致，产生稳定的火焰形态。
2.技术方案
为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案如下：
本发明的基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统，包括燃烧单元和蒸发雾化单元，所述蒸发雾化单元包括蒸发雾化腔，所述蒸发雾化腔通过第一不锈钢管路与所述燃烧单元连接，在所述第一不锈钢管路除交叉和转弯处的外表面设置有第一加热带，所述第一加热带与第一热电偶及温控器连接。
于本发明一种可能的实施方式中，所述蒸发雾化腔上设置有液体喷吹针头、气体喷吹针头和第二热电偶及温控器。
于本发明一种可能的实施方式中，所述燃烧单元包括燃烧器，所述燃烧器外侧面包裹有加热环，所述加热环与第三热电偶及温控器连接。
于本发明一种可能的实施方式中，还包括供气单元，所述供气单元包括空气压缩机以及与所述空气压缩机通过第一PU管依次连接的第一减压阀、第一压力表、空气流量计和空气加热器，所述空气加热器通过三通阀、第二不锈钢管路与所述燃烧器连接，所述第二不锈钢管路外表面设置有第二加热带，所述第二加热带与第四热电偶及温控器连接。
于本发明一种可能的实施方式中，还包括燃料单元，所述燃料单元包括第一N2瓶以及与所述第一N2瓶通过第二PU管依次连接的第二减压阀、第二压力表、液体燃料储存罐和液体流量计，所述液体流量计与所述液体喷吹针头连接。
于本发明一种可能的实施方式中，还包括载气单元，所述载气单元包括第二N2瓶以及与所述第二N2瓶通过第三PU管依次连接的第三减压阀、第三压力表和N2流量计，所述N2流量计与所述气体喷吹针头连接。
于本发明一种可能的实施方式中，所述液体燃料为正庚烷和乙醇的混合液体、汽油和乙醇的混合液体或植物油脂。
本发明还提供了一种基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧方法，采用上述的液体燃烧系统，具体步骤如下：
步骤S101、空气压缩机将压缩后的空气经空气加热器加热到150℃-300℃后通入到燃烧器两侧的氧化剂入口处，作为蒸发雾化后液体燃料燃烧的保护气以及助燃气；
步骤S102、来自液体喷吹针头的液体混合燃料与来自气体喷吹针头的N2在蒸发雾化腔内充分混合并被加热到150℃-300℃，当加热温度超过液体燃料的沸点时，液滴就会被蒸发为气态；
步骤S103、为避免蒸气在通往燃烧器的过程发生冷凝，从蒸发雾化加热腔到燃烧器的途径中，第一不锈钢管路需要第一加热带的加热来保证燃料始终为气态；
步骤S104、气化后的液体燃料正庚烷通入燃烧器的燃料侧，在燃烧器氧化剂侧的加热空气的助燃和保护下燃烧。
液体燃料以正庚烷和乙醇为例，该基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统的工作原理为：
1、打开空气压缩机，空气经减压阀调节压力、空气流量计调节流量后，进入空气加热器加热到150℃、加热后的空气经第二不锈钢管路和三通阀进入燃烧器的氧化剂侧，第二不锈钢管路上缠上第二加热带并通过第四热电偶及温控器控制空气的温度；
2、以正庚烷和乙醇混合燃料作为燃烧剂，液体燃料储存罐中的液体燃料经来自第一N2瓶中高压N2压出后，又经第二PU管、液体流量计调节燃料流量、液体喷吹针头后喷入蒸发雾化腔；同时载气单元中第二N2瓶中的N2经第三减压阀和N2流量计的调节压力和流量后，由气体喷吹针头喷入蒸发雾化腔，在蒸发雾化腔内液体燃料被蒸发雾化气态，载气气体N2被加热为高温N2，并且二者充分混合后经第一不锈钢管路进入燃烧器氧化剂侧在加热空气的助燃下燃烧；液体燃料、助燃气体以及载气的流量及工作温度需要根据系统的实际负荷及相关参数的确定。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明蒸发雾化后的液体燃料在到达燃烧器的过程中，各管路经加热带的加热、保温以及温控器对温度的控制，保证了到达燃烧器的燃料侧的温度和预设的温度相一致；
(2)本发明供气单元中空气加热器的使用，可以增大助燃气体本身携带的热量，有助于高温油气保温，提高燃烧效率，起到节约燃料的作用；
(3)本发明供气单元中加热带以及温控器和燃烧器外侧的加热环以及温控器的使用，可以对氧化剂侧的出口空气的温度达到精确的控制，进而可以研究不同温度的出口空气对火焰燃烧特性的影响；
(4)本发明各管路温度的精确控制可以保证产生稳定的流场，从而产生稳定的火焰形态，提高实验的测量及采样的简便性和准确性；
(5)本发明一方面可以精确控制实验过程中各部分的温度，可以针对不同液体燃料，提供不同的气化温度和管路保温温度，避免了加热温度低，气化后的液体再液化以及加热温度过高、浪费能源等问题；另一方面，解决了燃烧效率低和燃烧火焰不稳定等问题，并可以在实验室内进行火焰燃烧特性以及排放特性的研究；
(6)本发明所有的管路为加热带加热和温控器控温相结合的管路；保温管路只能进行保温，且热量有所散失，而通过加热后的管路，可以保证管路温度的恒定，使最终的燃料和氧化剂达到预设温度，保证了火焰的稳定和采集数据的准确；
(7)本发明给燃料提供一定的热量，使燃料出口温度恒定在预设值，有助于获得高稳定的火焰和保证所获数据的准确；又有助于燃料的充分燃烧，进而减少污染物的生成。
附图说明
以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。
图1为本发明基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统结构示意图；
图2为本发明基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统得到的火焰。
图中标记说明：
100、燃烧单元；110、燃烧器；120、加热环；130、第三热电偶及温控器；
200、蒸发雾化单元；210、蒸发雾化腔；220、液体喷吹针头；230、气体喷吹针头；240、第二热电偶及温控器；250、第一不锈钢管路；251、第一加热带；252、第一热电偶及温控器；
300、供气单元；310、空气压缩机；320、第一PU管；330、第一减压阀；340、第一压力表；350、空气流量计；360、空气加热器；370、三通阀；380、第二不锈钢管路；381、第二加热带；382、第四热电偶及温控器；
400、燃料单元；410、第一N2瓶；420、第二PU管；430、第二减压阀；440、第二压力表；450、液体燃料储存罐；460、液体流量计；
500、载气单元；510、第二N2瓶；520、第三PU管；530、第三减压阀；540、第三压力表；550、N2流量计。
具体实施方式
下文对本发明的示例性实施例的详细描述参考了附图，该附图形成描述的一部分，在该附图中作为示例示出了本发明可实施的示例性实施例。尽管这些示例性实施例被充分详细地描述以使得本领域技术人员能够实施本发明，但应当理解可实现其他实施例且可在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明作各种改变。下文对本发明的实施例的更详细的描述并不用于限制所要求的本发明的范围，而仅仅为了进行举例说明且不限制对本发明的特点和特征的描述，以提出执行本发明的最佳方式，并足以使得本领域技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅由所附权利要求来限定。
下文对本发明的详细描述和示例实施例可结合附图来更好地理解，其中本发明的元件和特征由附图标记标识。
实施例1
如图1所示，该基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统包括燃烧单元100、蒸发雾化单元200、供气单元300、燃料单元400和载气单元500。
其中，所述燃烧单元100包括燃烧器110，所述燃烧器110外侧面包裹有加热环120，所述加热环120与第三热电偶及温控器130连接，燃烧器110包括燃料剂侧和氧化剂侧(图中未标注)。在燃烧器外壁安装加热环且与第三热电偶及温控器相连，可对空气出口温度进行精确控制，既可以获得高稳定的火焰，又可以保障所获数据的准确。
进一步的，所述蒸发雾化单元200包括蒸发雾化腔210，所述蒸发雾化腔210上设置有液体喷吹针头220、气体喷吹针头230和第二热电偶及温控器240，所述蒸发雾化腔210通过第一不锈钢管路250与所述燃烧单元100连接，在所述第一不锈钢管路250除交叉和转弯处的外表面设置有第一加热带251，所述第一加热带251与第一热电偶及温控器252连接。经过蒸发雾化的液体燃料由第一不锈钢管路250进入燃烧器110的燃料剂侧。
在本实施例中，所述供气单元300包括空气压缩机310以及与所述空气压缩机310通过第一PU管320依次连接的第一减压阀330、第一压力表340、空气流量计350和空气加热器360，所述空气加热器360通过三通阀370、第二不锈钢管路380与所述燃烧器110连接，所述第二不锈钢管路380外表面设置有第二加热带381，所述第二加热带381与第四热电偶及温控器382连接。经过加热的空气由第二不锈钢管路380进入燃烧器110的氧化剂侧。
在本实施例中，所述燃料单元400包括第一N2瓶410以及与所述第一N2瓶410通过第二PU管420依次连接的第二减压阀430、第二压力表440、液体燃料储存罐450和液体流量计460，所述液体流量计460与所述液体喷吹针头220连接。
在本实施例中，所述载气单元500包括第二N2瓶510以及与所述第二N2瓶510通过第三PU管520依次连接的第三减压阀530、第三压力表540和N2流量计550，所述N2流量计550与所述气体喷吹针头230连接。
在本实施例中，所述液体燃料为正庚烷和乙醇的混合液体、汽油和乙醇的混合液体或植物油脂。
在实际使用过程中，发明人发现针对不同液体燃料，若是温度控制不合适以及供气中含有空气，极容易会造成火焰的不稳定。此外需要强调的是：本发明的加热难点在于保证管路的均匀加热以及在管路的转弯处的保温。针对均匀加热的难题，在缠加热带时，要保证一圈和一圈加热带之间尽量等距，且不要产生交叉；针对管路转弯处的保温，本发明采用了缠绕保温棉的形式，一方面是转弯处长度相对较短，对整体温度影响较低；另一方面，在转弯处缠加热带极容易产生交叉，烧坏电阻丝，甚至引发火灾等安全事故。
本发明一方面可以精确控制实验过程中各部分的温度，可以针对不同液体燃料，提供不同的气化温度和管路保温温度，避免了加热温度低，气化后的液体再液化以及加热温度过高、浪费能源等问题；另一方面，解决了燃烧效率低和燃烧火焰不稳定等问题，并可以在实验室内进行火焰燃烧特性以及排放特性的研究。载气气体由N2和空气相结合改为全部由N2作为载气气体，避免了燃烧器燃料口回火，以及在蒸发雾化腔内由于温度过高，发生自燃等安全隐患。此外，在蒸发雾化腔内，液体燃料和载气气体先精确混合后，再经高温螺旋进行加热，可实现在相对较低的工作温度下，得到更稳定的蒸气流量。
实施例2
本实施例的高精度控制和高稳定火焰的液体燃烧方法，采用实施例1中的系统，具体步骤如下：
步骤1、将压缩后的空气在空气加热器360中加热到150℃后通入到燃烧器110两侧的氧化剂入口处，作为蒸发雾化后热体燃料燃烧的保护气以及助燃气；
步骤2、来自液体喷吹针头220的正庚烷和乙醇的混合燃料与来自气体喷吹针头230的N2在蒸发雾化加热腔内充分混合并被加热到150℃，当加热温度超过正庚烷和乙醇的混合燃料燃料的沸点时，液滴就会被蒸发为气态；
步骤3、为避免正庚烷和乙醇的混合燃料蒸汽在通往燃烧器110的过程发生冷凝，从蒸发雾化腔210到燃烧器110的途径中，第一不锈钢管路250通过第一加热带251的加热来保证燃料始终为气态；
步骤4、气化后的液体燃料正庚烷通入燃烧器110的燃料侧，在燃烧器110氧化剂侧的加热空气的助燃和保护下燃烧。
实施例3
本实施例的高精度控制和高稳定火焰的液体燃烧方法，采用实施例1中的系统，具体步骤如下：
步骤1、将压缩后的空气在空气加热器360中加热到250℃后通入到燃烧器110两侧的氧化剂入口处，作为蒸发雾化后液体燃料燃烧的保护气以及助燃气；
步骤2、来自液体喷吹针头220的汽油和乙醇的混合燃料与来自气体喷吹针头230的N2在蒸发雾化加热腔内充分混合并被加热到250℃，当加热温度超过汽油和乙醇的混合燃料的沸点时，液滴就会被蒸发为气态；
步骤3、为避免汽油和乙醇的混合燃料蒸汽在通往燃烧器110的过程发生冷凝，从蒸发雾化腔210到燃烧器110的途径中，第一不锈钢管路250通过第一加热带251的加热来保证燃料始终为气态；
步骤4、气化后的汽油和乙醇混合燃料通入燃烧器110的燃料侧，在燃烧器110氧化剂侧的加热空气的助燃和保护下燃烧。
实施例4
一种高精度控制和高稳定火焰的液体燃烧方法，采用实施例1中的系统，具体步骤如下：
步骤1、将压缩后的空气在空气加热器360中加热到300℃后通入到燃烧器110两侧的氧化剂入口处，作为经燃料系统中不锈钢管来的蒸发雾化后液体燃料燃烧的保护气以及助燃气；
步骤2、来自液体喷吹针头220的液体燃料植物油脂与来自气体喷吹针头230的N2在蒸发雾化加热腔内充分混合并被加热到300℃，当加热温度超过植物油脂的沸点时，液滴就会被蒸发为气态；
步骤3、为避免油气在通往燃烧器110的过程发生冷凝，从蒸发雾化腔210到燃烧器110的途径中，第一不锈钢管路250通过第一加热带251的加热来保证燃料始终为气态；
步骤4、气化后的液体燃料植物油脂通入燃烧器110的燃料侧，在燃烧器110氧化剂侧的加热空气的助燃和保护下燃烧。
上述实施例仅是本发明的优选实施方式，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的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统，包括燃烧单元(100)和蒸发雾化单元(200)，其特征在于，所述蒸发雾化单元(200)包括蒸发雾化腔(210)，所述蒸发雾化腔(210)通过第一不锈钢管路(250)与所述燃烧单元(100)连接，在所述第一不锈钢管路(250)除交叉和转弯处的外表面设置有第一加热带(251)，所述第一加热带(251)与第一热电偶及温控器(252)连接。
2.根据权利要求1所述的基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统，其特征在于，所述蒸发雾化腔(210)上设置有液体喷吹针头(220)、气体喷吹针头(230)和第二热电偶及温控器(240)。
3.根据权利要求1所述的基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统，其特征在于，所述燃烧单元(100)包括燃烧器(110)，所述燃烧器(110)外侧面包裹有加热环(120)，所述加热环(120)与第三热电偶及温控器(130)连接。
4.根据权利要求3所述的基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统，其特征在于，还包括供气单元(300)，所述供气单元(300)包括空气压缩机(310)以及与所述空气压缩机(310)通过第一PU管(320)依次连接的第一减压阀(330)、第一压力表(340)、空气流量计(350)和空气加热器(360)，所述空气加热器(360)通过三通阀(370)、第二不锈钢管路(380)与所述燃烧器(110)连接，所述第二不锈钢管路(380)外表面设置有第二加热带(381)，所述第二加热带(381)与第四热电偶及温控器(382)连接。
5.根据权利要求2所述的基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统，其特征在于，还包括燃料单元(400)，所述燃料单元(400)包括第一N2瓶(410)以及与所述第一N2瓶(410)通过第二PU管(420)依次连接的第二减压阀(430)、第二压力表(440)、液体燃料储存罐(450)和液体流量计(460)，所述液体流量计(460)与所述液体喷吹针头(220)连接。
6.根据权利要求2所述的基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统，其特征在于，还包括载气单元(500)，所述载气单元(500)包括第二N2瓶(510)以及与所述第二N2瓶(510)通过第三PU管(520)依次连接的第三减压阀(530)、第三压力表(540)和N2流量计(550)，所述N2流量计(550)与所述气体喷吹针头(230)连接。
7.根据权利要求5所述的基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧系统，其特征在于，所述液体燃料为正庚烷和乙醇的混合液体、汽油和乙醇的混合液体或植物油脂。
8.一种基于高精度控制获取高稳定火焰的液体燃烧方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的液体燃烧系统，具体步骤如下：
步骤S101、空气压缩机(310)将压缩后的空气经空气加热器(360)加热到150℃-300℃后通入到燃烧器(110)两侧的氧化剂入口处，作为蒸发雾化后液体燃料燃烧的保护气以及助燃气；
步骤S102、来自液体喷吹针头(220)的液体混合燃料与来自气体喷吹针头(230)的N2在蒸发雾化腔(210)内充分混合并被加热到150℃-300℃，当加热温度超过液体燃料的沸点时，液滴就会被蒸发为气态；
步骤S103、为避免蒸气在通往燃烧器(110)的过程发生冷凝，从蒸发雾化加热腔到燃烧器(110)的途径中，第一不锈钢管路(250)需要第一加热带(251)的加热来保证燃料始终为气态；
步骤S104、气化后的液体燃料通入燃烧器(110)的燃料侧，在燃烧器(110)氧化剂侧的加热空气的助燃和保护下燃烧。
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