CN116379425A - 一种低热值预热式预混多孔介质燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低热值预热式预混多孔介质燃烧器,属于燃烧器技术领域。包括壳体、预热燃烧单元和供气单元。所述预热燃烧单元包括固定在壳体腔内的多孔介质,多孔介质包括大球和小球,大球与小球通过多孔板分隔,所述大球位于多孔板的上方,小球位于多孔板的下方。所述供气单元包括燃气管道和空气管道,燃气管道包括燃气总管和至少一根与燃气总管连接的燃气支管,所述燃气支管穿过壳体埋设于小球中。本发明将燃气支管埋设于多孔介质中,与空气充分混合,可以安全地进行空气煤气双预热,有效利用低热值燃气,实现对空气和煤气的安全预热。
Description
技术领域
本发明属于燃烧器技术领域,更具体地说,涉及一种低热值预热式预混多孔介质燃烧器。
背景技术
燃料根据发热量的大小可分为三类,分别是:低热值燃料、中热值燃料和高热值燃料。
目前,工业生产中的低热值副产煤气,如转炉前期的煤气,由于可燃性较差,因此多数企业会在转炉炼钢初期和末期对其进行放散处理,不但浪费能源还会污染环境。而随着社会的发展和煤炭、石油等化石燃料能源日益减少,人们对拓宽能源利用与节能减排的意识不断深入,因此工业生产中低热值燃气的回收与有效利用显得至关重要。
在众多低热值燃气回收利用的想法中,通过添加多孔介质并对预热后的燃气进行表面燃烧是目前最为简单高效的一种方法。多孔介质的预混燃烧有很多优点:较大的贫燃极限、较高的燃烧速率和稳定性、负荷调节范围广、燃烧强度高、燃烧体积小等。但是在实际使用中,多孔介质的预混燃烧也存在许多问题:有时预混不充分;低热值燃气由于热值较低,在燃烧前需先预热才能点火,但是预热后的燃气和空气混合容易发生爆炸;在燃烧过程当中易发生回火现象等等。
此外,目前我国工业生产中气体燃料在燃烧时主要采用的是以自由火焰为特征的空间燃烧,这种燃烧方式下的火焰面附近温度梯度较大,不但燃烧稳定性较差,还会产生局部高温区,特别是采用高热值燃料时,容易生成大量NOX。
在以往的专利中,出现过对上述问题的研究。授权号为CN104595897A的专利所述的一种单层多孔泡沫陶瓷板部分预混气体燃料燃烧器可有效解决低热值燃气燃烧和低氮、硫化合物的排放的问题,但是很难有效防止回火和爆燃现象;公布号为CN112179138A涉及的一种高效低NOX排放多孔介质燃烧加热炉研究了低热值燃气的燃烧和低NOX的排放问题。以上两种方法都没对燃气进行预热,适用于较低热值燃气的燃烧,但对更低热值燃气(300-600kcal/m3)则难以实现稳定的燃烧。
此外,专利CN101737778A公开了一种扩散式多孔介质气体燃料燃烧器,包括外壳、空气管道和耐火套管,空气管道与外壳连接,外壳底端与燃气分流罐的顶板连接,外壳内部从上到下依次设有耐火套管、托盘和燃气分流管,耐火套管底端与托盘接触,托盘与外壳或燃气分流管固定在一起,燃气分流管底端固定在燃气分流罐的顶板上,并且燃气分流管与燃气分流罐内部连通;耐火套管内从上到下设有大孔多孔介质、小孔多孔介质和下层金属纤维,下层金属纤维同时与托盘和燃气分流管连接。但该装置中燃气没有通过整流装置直接到达分流管,进而到达多孔介质区域内。这种方式不能保证空气与燃气在多孔介质内的分布和混合足够均匀,从而导致不能完全燃烧,难以适应低热值燃气的燃烧。专利CN101158469A公开了一种分段式多孔陶瓷介质气体燃料燃烧器,其构成包括燃烧器外壳,除尘金属网或金属刷,空气管道,预混室,燃气管道,燃烧器外壳以多孔板为界分上、下两部分。燃烧器外壳上部空腔内部,由上至下依次设置有大孔区域陶瓷多孔介质,放置在小孔区域陶瓷多孔介质上面,小孔区域陶瓷多孔介质放置在多孔板上面。多孔板下面,燃烧器外壳内装配有除尘金属网或金属刷。多孔板夹在燃烧器外壳上、下部中间多孔板外围延伸至燃烧器外壳外面。该装置中空气与燃气进入预混室混合后通入到燃烧器内发生燃烧。这种方式具有回火爆炸的风险,且不能实现对空气或煤气进行安全预热的功能,难以适应低热值燃气的燃烧。
本发明针对高效预混、双预热和防回火三个方面提出了一种低热值预热式预混多孔介质燃烧器,可以安全地进行空气煤气双预热,有效利用300~600kcal/m3低热值燃气。
发明内容
1.要解决的问题
针对现有技术中低热值燃气难以稳定燃烧的问题,本发明提供一种低热值预热式预混多孔介质燃烧器,该燃烧器可以对煤气与空气安全预热,实现低热值燃气的稳定燃烧。
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:
一种低热值预热式预混多孔介质燃烧器,包括壳体、预热燃烧单元和供气单元。
所述壳体为金属材质的矩形贯通壳体,壳体内设有绝热内衬,所述绝热内衬的材料为硅酸铝纤维毡、岩棉、超细玻璃棉毡等优质保温材料。
所述预热燃烧单元位于壳体腔内上部,包括多孔介质,所述多孔介质通过多孔板固定在壳体腔内,多孔介质包括大球和小球,大球与小球通过多孔板分隔,所述大球位于多孔板的上方,小球位于多孔板的下方。
所述多孔板为耐热的多孔陶瓷板或金属网状板,多孔板的孔隙率为0.4~0.8,所述多孔陶瓷板的材质为耐高温陶瓷材料,例如氧化铝、碳化硅、堇青石。所述金属网状板由多张金属网重叠而成,每张金属网的目数在10~50。所述金属网状板材质为耐高温合金,例如310、310s。所述大球和小球的材质可以是价格便宜的铁、钢,也可以是导热性能较好的铜、铝等金属,或者不易氧化腐蚀的陶瓷等等。
所述供气单元包括燃气管道和空气管道。
所述空气管道位于壳体下方,与壳体为一体结构,与壳体同轴,用于向燃烧器中通入空气。空气管道内流动的空气既可以是预热过的,也可以是未预热过的。更进一步地,空气管道为渐缩结构,空气管道的上管口与壳体下方连接,空气管道的下管口小于壳体内径,有利于控制空气的流量。所述空气管道的下管口呈圆形或矩形。
所述空气管道与壳体的交接处设有均流格栅,所述均流格栅由至少一个导流板和用于固定导流板的框架组成,所述框架为矩形,固定在壳体腔内,所述导流板呈中间密集两边稀疏的分布方式焊接在框架上。所述导流板与水平方向的倾角范围为20°~70°,外侧导流板距离壳体内壁的长度与中心导流板距离壳体内壁的长度比值范围为0.8~0.5,距离比值范围可以根据实际安装情况进行调整。导流板的倾斜角度能够控制助燃空气在燃烧器内部空间的均匀分布,气流的阻力会随导流板倾斜角度的增加而增加。由于空气进口较小导致燃烧器中心的气流速度大于近壁面的气流速度,通过控制外侧倾斜导流板距离框架的长度与中心导流板距离框架的长度比值,得到中心密集边缘稀疏的均流格栅,可以使得燃烧器内部空间的气流速度分布更加均匀,增加燃烧器内的流动阻力。
所述燃气管道包括燃气总管和至少一根与燃气总管连接的燃气支管,燃气从外部管道首先进入燃气总管,通过燃气支管对燃气进行分流,使燃气均匀分布在燃烧器的空间中。所述燃气总管设于金属外壳的外侧,所述燃气支管穿过壳体埋设于小球中。燃烧器的壳体在与燃气总管相邻的一侧壁面开有孔洞,燃气支管通过孔洞插入小球区域中,管道交接处采用密焊。所述燃气总管以及燃气支管裸露在壳体外部的部分包有岩棉、矿渣棉等保温材料。
更进一步地,所述燃气总管横截面为矩形,包含平行段和收缩段两部分,燃气进入燃气总管的平行段后,经过收缩段进入燃气支管,将燃气均匀的分配给各个燃气支管,随着管道的收缩,燃气流量不变,流速逐渐增大。有利于保证燃气支管最末端燃气小孔的流速达到与前端燃气小孔的相同水平。所述收缩段的内侧壁面与金属外壳一侧的表面平行,并与燃气支管连接。所述的燃气支管横截面可以是圆形,也可以是矩形,燃气支管均匀开有若干排小孔,小孔的方向既可以是朝上的,也可以是朝下或朝侧面的,小孔的直径为燃气支管直径的1/5~1/10倍,小孔间距为燃气支管直径的1/3~1倍。小孔直径需小于燃气支管直径,能够保证每个小孔喷出的气流速度,有利于燃气在燃烧器空间内的分布均匀,过小的小孔直径会增大燃气进口的压力。小孔的间距控制在燃气分管直径的1/3~1倍,有利于助燃空气能够从小孔的间隙中通过,与燃气能够更好的混合,过大的小孔间距会增加燃烧器的尺寸。
所述燃气管道内流动的煤气既可以是预热过的,也可以是未预热过的。
对于低热值燃气,由于其层流火焰速度与燃气比热较低,因此需要对燃气进行预热,因此本发明将燃气支管埋设于多孔介质的小球中,燃气在小球中预热并与空气混合,在大球区域发生燃烧。小直径球体能有效防止回火和爆炸,为空气煤气双预热提供安全保障。大球可将燃烧时产生的热量传导到上游球体,对混合气体能起到一个预热的作用,能够有效利用预热过的低热值(300~600kcal/m3)燃气。通过燃气支管以及多孔介质的合理排布,能够增加燃气和空气的流动行程,从而延长燃气和空气的预混时间,使燃烧更加充分;在充分混合的基础上有效提高燃烧器内速度场的均匀性,保证燃烧器出口火焰温度的均匀性,避免因局部高温而导致NOX排放浓度偏高的问题。本发明可以安全地进行空气煤气双预热,有效利用300~600kcal/m3低热值燃气,相较于现有技术中燃气和空气在进入燃烧器之前就需预热,具有回火爆炸的风险,本发明的装置中,燃气和空气只有在到达小球区域时才发生接触和混合,因此能够允许在燃烧前对燃气和空气进行预热,提高燃料的燃烧温度,保证燃烧的稳定性对燃气进行预热。
更进一步地,本发明控制大球的直径为20~40mm,小球的直径为4~10mm,大球球层高度与小球球层高度之比L1:L2为1/3~1。
其中SL表示层流火焰速度,dm表示多孔介质的空心区域的等效直径,Cp是气态混合物的比热,ρ代表气态混合物的密度,λ是导热系数。如果Pe≤65,则火焰结构丢失,因此,火焰稳定在孔径突然变化的交界面处。
根据“熄灭直径”的原理可知,当孔隙的直径小于某一值时,燃烧将不能传播。因此本发明在燃烧器中设有大球和小球两种多孔介质,通过控制多孔介质的直径以及球与球之间的孔隙,大球的直径为20~40mm,大球之间的孔隙在6~12mm,满足Pe≥65,可以实现浸没燃烧,直径过大会影响燃烧区域温度的均匀性。小球的直径为4~10mm,小球之间的孔隙在0.5~2mm,满足Pe≤65,小于熄灭直径,火焰不能在此空隙内传播,有利于防止回火,直径过小会影响空气和燃气混合效果,并且会增大燃烧器内的流动阻力,大球和小球在交界面处紧密贴合,有利于低热值燃气的稳定燃烧,有效防止回火和爆炸问题的出现。
控制大球球层高度与小球球层高度之比L1:L2为1/3~1,小球的填充高度影响着助燃空气与燃气的混合是否充分,但相应的会增加燃烧器内的流动阻力。大球的填充高度会影响着燃烧器的启动时间,过多的大球填充会延长燃烧器到达稳定工作状态的时间,并且增大流动阻力,过少的大球填充会影响燃烧的稳定性。实际应用时,应对燃烧器截面的燃气组分浓度进行分析,从而得到最佳的多孔介质的填充高度。
该燃烧器的工作原理是,空气通过空气管道进入燃烧器,燃气通过燃气支管进入小球区域内,可以是预热后的也可以是没有预热的燃气和空气在小球区域内进行预混合,预混合后的混合气上升到大球区域内,进一步充分地混合,同时火焰稳定在大球区域与小球区域的交界面处,通过多孔介质的热传导与热辐射作用将燃烧产生的热量回流到上游小球区域,对混合气具有一定的预热作用,有利于低热值的燃气燃烧,本发明中燃气和空气只有在到达小球区域时才发生接触和混合,因此能够允许在燃烧前对燃气和空气进行预热,提高燃料的燃烧温度,保证燃烧的稳定性。避免了现有技术中燃气和空气在燃烧器中直接预混合,导致容易回火发生爆炸的问题,提高燃烧器的安全性。
3.有益效果
相比于现有技术,本发明的有益效果为:
(1)本发明的一种低热值预热式预混多孔介质燃烧器将燃气支管埋设于多孔介质中,与空气充分混合,可以安全地进行空气煤气双预热,有效利用300~600kcal/m3低热值燃气,燃气和空气只有在到达小球区域时才发生接触和混合,因此能够允许在燃烧前对燃气和空气进行预热,提高燃料的燃烧温度,保证燃烧的稳定性;
(2)本发明的一种低热值预热式预混多孔介质燃烧器中设有大球和小球,大球与小球紧密贴合,通过控制大球和小球的直径,实现对其孔隙率的控制,可有效防止回火和爆炸问题的出现;
(3)本发明的一种低热值预热式预混多孔介质燃烧器中控制大球高度和小球高度的比例,通过增加燃气和空气的流动混合行程,从而提升燃气与空气的混合程度,使燃烧更加充分;
(4)本发明的一种低热值预热式预混多孔介质燃烧器中的大球和小球形成了多孔区域,同时加入均流格栅,能够在充分混合的基础上有效提高燃烧器内速度场的均匀性,保证燃烧器出口火焰温度的均匀性,避免因局部高温而导致NOX排放浓度偏高的问题。
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为本发明低热值预热式预混表面燃烧器的整体剖视图;
图2为本发明低热值预热式预混表面燃烧器的燃气管道结构示意图;
图3为本发明低热值预热式预混表面燃烧器的均流格栅结构示意图;
图4为实施例1结构示意图;
图5为实施例2结构示意图;
图中:100、壳体;110、绝热内衬;
200、预热燃烧单元;210、多孔介质;211、大球;212、小球;220、多孔板;
300、供气单元;310、空气管道;311、均流格栅;3111、导流板;3112、框架;
320、燃气管道;321、燃气总管;322、燃气支管;3221、小孔。
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。
实施例1
如图4所示,本实施例中一种低热值预热式预混表面燃烧器,包括壳体100、预热燃烧单元200和供气单元300。
所述壳体100为金属材质的矩形贯通壳体100,内铺设有厚度为10mm硅酸铝纤维毡材质的绝热内衬110。
所述预热燃烧单元200位于壳体100腔内上部,包括多孔介质210,所述多孔介质210通过多孔陶瓷板220固定在壳体100腔内,多孔介质210包括小球212以及分布在小球212上方的大球211,大球211和小球212均呈分层交错排布,所述大球211上方、大球211与小球212之间以及小球212下方设有多孔陶瓷板220,用于将大球211和小球212固定在燃烧器的壳体100腔内。其中,大球211的直径为20mm,小球212的直径为4mm,控制大球211与小球212的填充高度之比为1。大球211之间的孔隙为5mm,小球212之间的孔隙为0.8mm。
小球212下方和大球211与小球212之间的多孔陶瓷板220的厚度为40mm,孔隙率为30%,大球211上方的多孔陶瓷板220的厚度为80mm,孔隙率为50%。
所述供气单元300包括燃气管道320和空气管道310。
所述空气管道310位于壳体100下方,与壳体100为一体结构,与壳体100同轴,用于向燃烧器中通入空气。空气管道310的上管口与壳体100下方连接,空气管道310的下管口小于壳体100内径。
所述空气管道310与壳体100的交接处设有均流格栅311,所述均流格栅311由至少一个导流板3111和用于固定导流板3111的框架3112组成,所述框架3112为矩形,固定在壳体100腔内,所述导流板3111呈中间密集两边稀疏的分布方式焊接在框架3112上。所述导流板3111分为中心导流板3111和外侧导流板3111,其中,中心导流板3111与水平方向的倾角为70°,外侧导流板3111与水平方向的倾角为20°,外侧导流板3111距离壳体100内壁的距离与中心导流板3111距离壳体100内壁的距离比值范围为0.5。
所述燃气管道320包括燃气总管321和7根与燃气总管321连接的燃气支管322,所述燃气总管321设于外壳的外侧,所述燃气支管322穿过壳体100埋设于小球212中。燃烧器的壳体100在与燃气总管321相邻的一侧壁面开有孔洞,燃气支管322通过孔洞插入小球212区域中,管道交接处采用密焊。燃气总管321以及燃气支管322裸露在壳体100外部的部分包有硅酸铝纤维毡。
所述燃气总管321横截面为矩形,包含平行段和收缩段两部分,所述收缩段的内侧壁面与金属外壳一侧的表面平行,并与燃气支管322连接。燃气支管322横截面是圆形,燃气支管322均匀开有4排燃气支管3221,燃气支管3221内煤气的流动方向为向上的半个圆弧,其中,燃气分管42的直径为32mm,燃气支管3221的直径为6mm,孔间距为24mm。燃气管道320内流动的煤气被预热至300℃,空气管道310内流动的空气被预热至500℃,用于提高低热值燃料的燃烧温度。
实施例2
如图5所示,实施例2与实施例1的不同之处在于,所述多孔板220为目数为20的金属网状板220,多孔介质210通过金属网状板220固定在壳体100腔内,所述大球211上方、大球211与小球212之间以及小球212下方均设有金属网状板220,小球212下方的金属网状板220下方均匀布置5根紧密相贴的金属杆,负责托举金属网状板220。其中,大球211的直径为30mm,小球212的直径为6mm,大球211之间的孔隙为6mm,小球212之间的孔隙为1.2mm。控制大球211与小球212的填充高度之比为2/3。因选取的小球212直径较大,减小了空气与燃气的混合距离,到达大球211区域时混合的更加充分,减小大球211层的填充高度有利于减小流动的阻力。
所述燃气管道320包括燃气总管321和7根与燃气总管321连接的燃气支管322,燃气分管的直径为45mm,燃气支管3221的直径为6mm,孔间距为30mm。燃气分管的直径增大,适用于更大燃气流量的设计条件,增大燃气支管3221的直径,控制燃气支管3221出口的速度更小,相应的增加孔间距,缩短空气与燃气的混合距离。
所述导流板3111分为中心导流板3111和外侧导流板3111,其中,中心导流板3111与水平方向的倾角为70°,外侧导流板3111倾角为45°,外侧导流板3111距离壳体100内壁的距离与中心导流板3111距离壳体100内壁的距离比值范围为0.65。增大了外侧导流板3111的倾斜角度,可以使得更多的气流分配给外侧边缘。增大外侧导流板3111距离框架3112的长度与中心导流板3111距离框架3112的长度比值,使燃烧器内部空间的气流分布更加均匀。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于,多孔介质210为直径为40mm的大球211和直径为10mm的小球212,大球211之间的孔隙为8mm,小球212之间的孔隙为2mm。采用了较大直径的大球211和小球212,更适应于低热值燃气产生浸没燃烧,并且进一步缩短了空气与燃气的混合距离。控制大球211与小球212的填充高度之比为1/3。
本实施例中燃气分管的直径为50mm,燃气支管3221的直径为10mm,孔间距为50mm。燃气分管直径与燃气支管3221和孔间距的关系,直接影响着燃气在燃烧器内的气流分布是否均匀,通过增大其直径,可以使得燃气的气流速度减小,有利于产生浸没燃烧。
本实施例中的外侧导流板3111倾角为70°,中心导流板3111与水平方向的夹角为70°,外侧导流板3111倾角为60°,外侧导流板3111距离壳体100内壁的距离与中心导流板3111距离壳体100内壁的距离比值范围为0.8。外侧导流板3111的倾斜角度和外侧导流板3111距离框架3112的长度与中心导流板3111距离框架3112的长度比值,影响着空气在燃烧器内的气流分布,通过调整外侧导流板3111的倾斜角度,可以使得燃烧器空间内的空气分布均匀。通过调整外侧导流板3111的倾斜角度和外侧导流板3111距离框架3112的长度与中心导流板3111距离框架3112的长度比值,可以控制燃烧器中心空气流速,使得燃烧器内的流速分布更加均匀。
Claims (10)
1.一种低热值预热式预混多孔介质燃烧器,包括壳体(100)、预热燃烧单元(200)和供气单元(300),
所述预热燃烧单元(200)位于壳体(100)腔内上部,通过多孔板(220)固定,预热燃烧单元(200)包括多孔介质(210),所述多孔介质(210)包括大球(211)和小球(212),所述大球(211)位于小球(212)上方,大球(211)与小球(212)通过多孔板(220)分隔;
所述供气单元(300)包括燃气管道(320)和空气管道(310),所述空气管道(310)与壳体(100)下方连接;
其特征在于,所述燃气管道(320)包括燃气总管(321)和至少一根与燃气总管(321)连接的燃气支管(322),所述燃气支管(322)穿过壳体(100)埋设于小球(212)中。
2.根据权利要求1所述低热值预热式预混多孔介质燃烧器,其特征在于,所述燃气支管(322)均匀开有若干排小孔(3221),小孔(3221)的直径为燃气支管(322)直径的1/5~1/10倍,小孔(3221)间距为燃气支管(322)直径的1/3~1倍。
3.根据权利要求2所述低热值预热式预混多孔介质燃烧器,其特征在于,所述燃气总管(321)包含平行段和收缩段,所述收缩段与燃气支管(322)连接,燃气经过依次经过平行段和收缩段。
4.根据权利要求3所述低热值预热式预混多孔介质燃烧器,其特征在于,所述燃气总管(321)以及燃气支管(322)裸露在壳体(100)外部的管道包有保温材料。
5.根据权利要求4所述低热值预热式预混多孔介质燃烧器,其特征在于,所述大球(211)的直径为20~40mm,小球(212)的直径为4~10mm,大球(211)之间的孔隙为6~12mm,小球(212)之间的孔隙为0.5~2mm。
6.根据权利要求5所述低热值预热式预混多孔介质燃烧器,其特征在于,大球(211)球层高度与小球(212)球层高度之比L1:L2为1/3~1。
7.根据权利要求6所述低热值预热式预混多孔介质燃烧器,其特征在于,所述空气管道(310)与壳体(100)的交接处设有均流格栅(311),所述均流格栅(311)由至少一个导流板(3111)和用于固定导流板(3111)的框架(3112)组成,所述框架(3112)固定在壳体(100)腔内。
8.根据权利要求7所述低热值预热式预混多孔介质燃烧器,其特征在于,所述导流板(3111)呈中间密集两边稀疏的分布方式焊接在框架(3112)上,所述导流板(3111)与水平方向的倾角为20°~70°,外侧导流板(3111)距离壳体(100)内壁的长度与中心导流板(3111)距离壳体(100)内壁的长度比值范围为0.5~0.8。
9.根据权利要求8所述低热值预热式预混多孔介质燃烧器,其特征在于,空气管道(310)为渐缩结构,空气管道(310)的上管口与壳体(100)下方连接。
10.根据权利要求9所述低热值预热式预混多孔介质燃烧器,其特征在于,所述壳体(100)为金属材质的贯通壳体(100),壳体(100)内设有绝热内衬(110)。
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