CN114992636A - 一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，它的主体结构为一个中空腔体，中空腔体的中间为燃烧腔，中空腔体的外侧开设有多个燃料孔，中空腔体在远离燃料孔的一端为火焰出口，燃烧腔的外侧在靠近火焰出口处的外壁上，开设了多个表面具有凹凸结构的通孔，通孔在燃烧腔外壁上均匀布置且成螺旋上升排列，燃烧腔的中心轴和通孔的中心轴形成10~60°的夹角。这一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴中的助燃流体参与跟燃料充分混合，确保燃烧充分，使得能源利用率较高，可以节能减排。助燃流体沿着燃烧腔壁形成了相对稳定的气墙，此气墙可以起到保护火焰的目的，使得烧嘴的抗风能力强。烧嘴壁表面为多孔结构，在确保燃烧的同时还节省了原料，因此制造成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，属于燃烧设备技术领域。
背景技术
在燃烧领域，例如加热排管等设备，设备末端常使用烧嘴来喷射火焰进行燃烧。烧嘴中需要通入燃料、助燃流体（例如空气）进行反应，其中助燃流体分为两种形式进入烧嘴进行剧烈的氧化反应。一种是通过风机等外力，将空气推入烧嘴；另外一种则是助燃流体被燃料被动带入烧嘴，这就是自吸式烧嘴。
自吸式烧嘴跟文丘里混合器的原理类似，目前自吸式烧嘴已经形成了较多的专利技术，例如：CN205897139U，CN103706319，CN207778439U，CN202660553U，CN102809153A，CN111043592A，这些专利公开的自吸式烧嘴，结构普遍都比较笨重，而且在燃烧领域的应用中，这些结构的烧嘴的燃烧效率，以及产生的火焰形态均不理想。
造成此缺点的原因主要是：
1、这些自吸式烧嘴对气流没有细化梳理的，同时，气流的混合并不明显，因此极容易造成燃烧效率低下，能源利用率不高。
2、另外这些自吸式烧嘴喷射的火焰没有受到防护，抗风能力不强，火焰容易被风吹动，进一步影响了加热效率，以及能源利用率。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种可以对助燃流体进行预梳理，使其有较好的稳定性，同时促进助燃流体和气体燃料的混合，使其具有较高的燃烧效率，并且抗风能力较强的基于气体燃烧的自吸式烧嘴。
本发明一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴能促进助燃流体和气体燃料混合，能够达到常规自吸式烧嘴的性能要求，同时它还具有以下优点：
1）跟现有的自吸式烧嘴相比，本专利方案自吸式烧嘴中的助燃流体参与跟燃料充分混合，确保燃烧充分，使得能源利用率较高，可以节能减排约49%。
2）本专利方案的自吸式烧嘴中的助燃流体沿着燃烧腔壁形成了相对稳定的气墙，此气墙可以起到保护火焰的目的，使得烧嘴的抗风能力强。
3）本专利方案的自吸式烧嘴的烧嘴壁表面为多孔结构，在确保燃烧的同时还节省了原料，因此制造成本较低。
附图说明
图1为本发明一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴的结构示意图。
图2为图1中第一种形式的凹凸结构的通孔所在剖面的示意图。
图3为图1中第二种形式的凹凸结构的通孔所在剖面的示意图。
图4为助燃流体的流动轨迹示意图。
图中：燃烧腔1、气流梳理腔1.1、混合腔1.2、燃料孔2、火焰出口3、通孔4。
具体实施方式
参见图1，本发明涉及一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，它设置于壳体中内部，是一个中空腔体结构，壳体中还设置有多条通道与中空腔体相连通。
这种自吸式烧嘴的主体结构为一个中空腔体，该中空腔体的中间为燃烧腔1，用于起到空气混合的作用，中空腔体的外侧在靠近底部处的一圈外壁上，规则地开设有多个燃料孔2，燃料从燃料孔2中喷出，所述中空腔体在远离燃料孔2的一端为火焰出口3，火焰出口3发生火焰与预加热表面的接触。
如图2和图3所示，燃烧腔1的外侧在靠近火焰出口3处的外壁上，设计了多个紧密而规律的表面凹凸结构的通孔4，通孔4可以为圆孔、方孔或其他的规则形状，燃烧腔1在同一高度的外壁上开设的凹凸结构的通孔呈中心对称均匀布置，通孔4的开口方向均为斜向，并且斜向着朝向火焰出口3的一头设置，通孔4均匀布置且成螺旋上升排列，通孔4结构具有数目多、排列规律、凹凸不平的特点，燃烧腔1的中心轴和通孔4的中心轴形成夹角a，夹角a优选为10°~60°，通孔4也成为了助燃流体进入燃烧腔1的孔。
燃烧腔1在通孔4内部形成气流梳理腔1.1，气流梳理腔1.1对助燃流体有预梳理作用；燃烧腔1在气流梳理腔1.1与燃料孔2之间形成混合腔1.2，混合腔1.2中让燃料助燃流体进行混合。
这一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴的工作原理为：
当燃烧腔中的燃料从燃料孔喷出的时候，燃料所携带的燃烧腔内的燃料流具有动量，这种动量会将燃烧腔外的助燃流体以锐角切入燃烧腔内，助燃流体进入到气流梳理腔的位置后会形成两种流动：如图4所示，一种是在燃烧腔内部参与跟燃料充分混合后进入末端的火焰出口，确保燃烧充分，使得能源利用率较高，节能减排；另一种则是继续从上方的凹凸孔结构中，以钝角的形式流出，届时在该处产生的动量又继续将燃烧腔外的助燃流体以锐角切入该处凹凸孔结构，这样流经所有凹凸孔结构的空气在燃料流体的带动下形成了一面气墙，由于凹凸孔结构结构布置规律，开孔结构也有一定的要求，形成的气墙较为稳定，它自下而上保护了火焰，提高了火焰的稳定性。
这种特殊的凹凸结构的通孔的总面积S和夹角a也有着一定的要求，满足一定的条件，才能有效地起到形成气墙，保护火焰的目的，具体的推算过程如下：
此处将助燃流体与跟燃料混合后在燃烧腔内沿轴心方向运动的气体体积定义为V1，垂直于轴心的方向运动的气体体积定义为V2，体积均为标准条件下的标准体积，其它条件下需等量换算。在本专利中，这两个比例是V1=KV2（K是介于0.4和0.6之间的一个系数）。
根据燃料的燃烧方程式，V1和V2之和Vsum大约是Vr（燃料体积）的m倍，m表述助燃比，m的数值根据不同的燃料化学性质来定义。例如，对于甲烷来说，m的数值为11，燃烧反应化学式为CH4+O2=CO2+2H2O。
而对于混合燃料，m的数值有多种燃料分别完全燃烧系数的加权比重获得。具体的公式如表1所示：
表1
m=A*xa+B*Xb+C*Xc+...+N*Xn，Vsum=V1+V2=m*Vr，其中Vsum由凹凸孔的总面积S和夹角a决定。
关于夹角a，在本专利中我们将其定义为一个小于90的锐角，具体的角度参考使用的环境条件进行计算。
a=P2/P1*90，其中P1为燃烧腔达到所需热密度的压力，P2为环境温度下的环境压力。一般在常温常压条件下，P2/P1小于接近于1，因此a的是一个小于90的数值，优选在10~60°范围内。
总面积S的决定因素是燃烧腔上总的开孔个数A，凹凸孔从下到上分成几组，每组所在区域的孔相同，不同高度的孔可以略有区别。总面积S=N1*C*S0+N2*C2*S1，C为第一种孔的层数，N1为第一种孔的同一水平面上的开孔数目，S0为第一种孔的每个孔的面积，C2为第二种孔的层数，N2为第二种孔的同一水平面上的开孔数目，S1为第二种孔的每个孔的面积。
S=e*m*D2，其中D为燃料内孔的孔径或边长，e为系数，对于圆孔，e=0.785，对于方孔，e为1。通过S=e*m*D2计算出的开孔总面积S，与上一段通过开孔个数算出的结果是相同的。
对于上述推算过程的具体实施例，满足以上取值范围的组合方式有很多种组合可用，具体参数如下表2：
表2。
Claims (9)
1.一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，其特征在于：它的主体结构为一个中空腔体，该中空腔体的中间为燃烧腔（1），中空腔体的外侧开设有多个燃料孔（2），所述中空腔体在远离燃料孔（2）的一端为火焰出口（3），燃烧腔（1）的外壁上，开设了多个表面具有凹凸结构的通孔（4），通孔（4）的开口方向均为斜向。
2.根据权利要求1所述的一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，其特征在于：通孔（4）在燃烧腔（1）外壁上均匀布置。
3.根据权利要求1所述的一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，其特征在于：燃烧腔（1）的中心轴和通孔（4）的中心轴形成夹角，夹角的范围是10~60°。
4.根据权利要求1所述的一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，其特征在于：在同一高度外壁上的通孔（4）呈中心对称均匀布置。
5.根据权利要求1所述的一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，其特征在于：通孔（4）斜向着朝向火焰出口（3）的一头设置。
6.根据权利要求1所述的一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，其特征在于：通孔（4）为形状规则的孔。
7.根据权利要求6所述的一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，其特征在于：通孔（4）为圆孔或方孔。
8.根据权利要求1所述的一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，其特征在于：燃烧腔（1）在通孔（4）内部形成气流梳理腔（1.1）。
9.根据权利要求1所述的一种基于气体燃烧的自吸式烧嘴，其特征在于：燃烧腔（1）在气流梳理腔（1.1）与燃料孔（2）之间形成混合腔（1.2）。
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