实用新型内容
为了克服已有技术的不足,申请人对陶瓷窑炉的燃气燃烧装置专门进行了大量的研究工作,提出一种新型陶瓷窑炉燃气燃烧装置,使火焰射流的喷射速度较快,火焰刚性较强,并且使火焰着火稳定,燃烧较完全,节能,减少排烟,同时助燃风利用率较高。
本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:一种新型陶瓷窑炉燃气燃烧装置,在燃气燃烧装置上有燃气喷枪,在燃气喷枪上有燃气喷枪头部,在燃气喷枪头部的结构中设置有内风管和气管,气管套在内风管之外,内风管之内有内风道,在内风道的出口端设置有风帽,风帽上有风喷出孔,气管与内风管之间有燃气夹道,在燃气夹道的出口端设置有气帽,气帽上有气喷出孔。
该喷枪头部工作时,进入内风道的助燃风沿内风道向前流动,并经风帽上的风喷出孔喷出,由于气体分子不停地在做不规则的热运动,助燃风从风喷出孔喷出后,会一边向前喷射,一边向四周进行扩散运动,同时对周围的气体产生引射作用;进入燃气夹道的燃气沿燃气夹道向前流动,并经气帽上的气喷出孔喷出,燃气从气喷出孔喷出后,也会一边向前喷射,一边向四周进行扩散运动,同时对周围的气体产生引射作用。在从各个风喷出孔喷出的各股风射流与从各个气喷出孔喷出的各股燃气射流之间的流场存在有低速区或零速区,由于扩散运动的存在,会在某些低速区或零速区形成燃气与助燃风的配比处于可燃范围的区域,燃气与助燃风的混气在这些可燃区域发生燃烧,形成稳定的点火源,并从这些稳定的点火源向下游传播,形成稳定的火焰,使火焰的着火过程比较稳定。气管套在内风管之外,这样的结构有利于实现气喷出孔位于风喷出孔的外周的气动布局,从而有利于实现在风喷出孔的四周被燃气包围着的分布状态,试验表明,这样有利于着火稳定,并且可以提高助燃风的利用率。
本文所述燃气,是指可燃气体的总称,包括天然气、石油液化气、发生炉煤气及其他气体燃料,也包括各种混合气体燃料,还包括各种气体燃料经过与空气预混所得到的混合物。本文所述的风,是指助燃风的简称,也可以称作助燃空气。燃气喷枪上的风喷出孔或者气喷出孔可以呈圆柱形,也可以呈其他几何形状。
在风帽上可以至少有1个风喷出孔具有WA特征,所述WA特征是指:设Gm孔是任意一个具有WA特征的风喷出孔,设Gm孔的出口端面的中心点为点Em,过点Em作Gm孔的轴线的切线EmVm,将燃气喷枪头部的轴线称为LR线,直线EmVm与LR线之间的夹角为βm,βm的范围是:0°≤βm≤12°,此为WA特征。βm在该范围内时,风与燃气之间混合的损失较小,并且风射流较为平直,有利于提高火焰射流的喷射速度。
在此作如下说明:
①.任何一个孔的出口端面的中心点(在此所述的孔,包括气喷出孔、风喷出孔,以及其他类型的孔),是指该孔的出口的一端的端面的形心。
②.所述直线与平面的夹角,在立体几何中,分为如下三种情形来确定:(1).如果一条直线与一个平面垂直,这条直线与平面的夹角为90°;(2).如果一条直线与一个平面平行或在平面内,这条直线与平面的夹角为0°;(3).一条斜线与一个平面的夹角,是斜线和它在平面的射影所成的锐角。
设风帽上所有的风喷出孔的流通面积之和为SW,设风帽上具有WA特征的风喷出孔的流通面积之和为SWA,比值RWA=SWA/SW,RWA的范围可以在如下优选区段选取:0.46≤RWA≤1;所述的任何一个风喷出孔的流通面积,是指该风喷出孔的内腔通道中最狭窄处的通道截面的面积,在此所述的最狭窄处,是指该处的通道截面的面积在该风喷出孔的内腔通道的所有截面的面积当中最小。RWA在该范围内时,占风喷出孔的流通面积之和较大比例的风喷出孔具有WA特征,有利于减小混合损失,提高火焰射流的喷射速度。
在此作如下说明:任何一个孔的流通面积(在此所述的孔,包括风喷出孔、气喷出孔,以及其他类型的孔),是指该孔的内腔通道中最狭窄处的通道截面的面积,在此所述的最狭窄处,是指该处的通道截面的面积在该孔的内腔通道的所有截面的面积当中最小。例如,图19至图21中有三个孔,分别为K1孔、K2孔、K3孔,图19所示的K1孔的内腔呈逐渐收缩形,且其孔的轴线垂直于其所处位置的固体外壁面,该孔的内腔通道中的最狭窄处是该孔的出口截面,该截面的面积就是K1孔的流通面积;图20所示的K2孔的内腔呈先逐渐收缩而后又逐渐扩大的形状,该孔的内腔通道中的最狭窄处是该孔的喉部截面,该喉部截面的面积也就是K2孔的流通面积;图21所示的K3孔,该孔的轴线与固体内、外壁面呈一定的倾斜角,该孔的内腔通道中的最狭窄处是位于横截面JA与横截面JB之间的那一段呈圆柱形的孔的内腔的所有横截面,并且它们的横截面积都相等,都等于JA或JB的横截面积,则K3孔的流通面积等于JA或JB横截面的横截面积,在此说明:所述孔的内腔的横截面是指过孔的轴线上的某一点作垂直于孔的轴线在该点处的切线的平面,再用该平面去截孔的内腔所得到的截面。
在风帽上可以至少有1个风喷出孔的出口端面的中心点位于一个直径为24mm的圆柱面内,将该圆柱面称为KLD圆柱面,将该圆柱面的轴称为LD轴,设风帽上所有的风喷出孔的流通面积之和为SW,设出口端面的中心点位于KLD圆柱面内的风喷出孔的流通面积之和为SB,比值RB=SB/SW,RB的范围可以在如下优选区段选取:0.46≤RB≤1。RB在该范围内时,占SW较大比例的风喷出孔的出口端面的中心点位于一个直径为Φ24mm的圆柱面内,试验表明,这样有利于形成一股强有力的核心射流,增强火焰的刚性。
对比出口端面的中心点位于KLD圆柱面内的各个风喷出孔的出口端面的中心点,将其中在燃气喷枪头部轴向的正方向上最靠下游的出口端面的中心点所对应的风喷出孔称为最下游风喷出孔,当最下游风喷出孔只有一个时,设其出口端面的中心点为点K;当最下游风喷出孔多于一个时,设其中任意一个最下游风喷出孔的出口端面的中心点为点K;所述燃气喷枪头部轴向的正方向,是指沿着燃气喷枪头部轴线向着燃气喷枪的靠近窑炉炉膛的一端前进的方向;将燃气喷枪头部轴线称为LR线,过点K作一个垂直于LR线的平面PKE,作一个与平面PKE的距离为6mm的平面PKF,点K相对于平面PKF位于靠近窑炉炉膛的一侧,在位于平面PKE与平面PKF之间的LD轴与燃气喷枪头部轴线的同轴度为EDT,EDT的范围可以在如下优选区段选取:0≤EDT≤9mm。EDT在该范围内时,有利于在靠近燃气喷枪头部轴线的区域形成一股强有力的核心射流,试验表明,这样有利于提高火焰射流的喷射速度。
在风帽上可以至少有1个风喷出孔具有WD特征,所述WD特征是指:设Gt孔是任意一个具有WD特征的风喷出孔,Gt孔的出口端面的中心点为点Et,过点Et作Gt孔的轴线的切线EtVt,将燃气喷枪头部的轴线称为LR线,直线EtVt与LR线之间的夹角为βt,βt的范围是:0°≤βt≤6°,此为WD特征;并且设风帽上所有的风喷出孔的流通面积之和为SW,设风帽上具有WD特征的风喷出孔的流通面积之和为SWD,比值RWD=SWD/SW,RWD的范围是:0.54≤RWD≤1。βt在该范围内时,风射流与燃气之间混合的损失较小,并且风射流较为平直,有利于提高火焰射流的喷射速度。
在其出口端面的中心点位于KLD圆柱面内的风喷出孔当中,可以有一个具有如下特征:其流通面积为SZ,SZ的范围可以在如下优选区段选取:34.6mm2≤SZ≤286mm2,这是一个经过试验得出的较佳的一个数值范围,SZ在该范围内时,火焰刚性较强,与燃气的匹配较为合理,燃烧效果较理想;并且设风帽上所有的风喷出孔的流通面积之和为SW,比值RZ=SZ/SW,RZ的范围可以在如下优选区段选取:0.54≤RZ≤1。RZ在上述范围内时,该孔的流通面积占SW的比例较大,试验表明,这有利于形成一股强有力的核心射流。
所述SB的范围可以在如下优选区段选取:12.6mm2≤SB≤236mm2。这是经过试验得出的一个较佳的使用区段,SB在该范围内时,火焰刚性较强,且与燃气的匹配易于获得较佳的效果。
在风帽上可以至少有3个风喷出孔具有UA特征,所述UA特征是指:设Gp孔是任意一个具有UA特征的风喷出孔,将燃气喷枪头部的轴线称为LR线,过Gp孔的出口端面的中心点Ep作一个垂直于LR线的平面PUAp,设平面PUAp与LR线的交点为点Op,过点Ep作与直线OpEp相垂直的平面PSp,过点Ep作Gp孔的轴线的切线EpVp,点Vp为该切线上的一个点,点Vp与Gp孔的内腔分别位于Gp孔的出口端面的两侧,点Vp与点Op分别位于平面PSp的两侧,直线EpVp与平面PSp之间的夹角为θp,θp的范围是:26°≤θp≤76°,此为UA特征。θP在该范围内时,可以使具有UA特征的风喷出孔形成的射流呈一个伞状形状,试验表明,这样有利于火焰着火和传播的稳定,有利于提高燃烧效率,使燃烧更完全。
在风帽上具有UA特征的风喷出孔当中,可以至少有2个具有UB特征,所述UB特征是指:设Gq孔是任意一个具有UB特征的风喷出孔,过Gq孔的出口端面的中心点Eq作一个垂直于LR线的平面PUBq,设该平面PUBq与LR线的交点为点Oq,过点Eq作与直线OqEq相垂直的平面PSq,平面PSq与平面PUBq的交线为MqNq,过点Eq作Gq孔的轴线的切线EqVq,直线EqVq与直线MqNq的夹角为ψq,ψq的范围是:66°≤ψq≤90°,此为UB特征。Ψq在该范围内时,可以使具有UB特征的风喷出孔的喷出速度在一个以Oq为圆心,OqEq为半径的圆的切线方向上的分量较小,从而使其不产生过强的旋流效果,有利于减小混合损失,提高火焰射流的喷射速度。
在风帽上具有UA特征的风喷出孔当中,可以至少有3个具有UC特征,所述UC特征是指:设Gr孔是任意一个具有UC特征的风喷出孔,Gr孔的出口端面的中心点为点Er,点Er与LR线的距离为HUCr,HUCr的范围是:8mm≤HUCr≤18mm,此为UC特征。HUCr在该范围内时,风喷出孔之间易于形成一个能量较强的着火区域,在该着火区域内,风喷出孔引射过来的燃气相互之间传递热量和活性中心,使总体火焰的着火过程更稳定。
设风帽上所有的风喷出孔的流通面积之和为SW,设风帽上具有UC特征的风喷出孔的流通面积之和为SUC,比值RUC=SUC/SW,RUC的范围可以在如下优选区段选取:0<RUC≤0.39;所述的任何一个风喷出孔的流通面积,是指该风喷出孔的内腔通道中最狭窄处的通道截面的面积,在此所述的最狭窄处,是指该处的通道截面的面积在该风喷出孔的内腔通道的所有截面的面积当中最小。RUC在该范围内时,具有UC特征的风喷出孔的流通面积之和,占SW的比例在一个较恰当的范围内,可以使呈伞状分布的风较好地发挥稳定火焰的作用。
设风帽上所有的风喷出孔的流通面积之和为SW,SW的范围可以在如下优选区段选取:12.6mm2≤SW≤316mm2。试验表明,SW在该范围内时,火焰刚性较好,与燃气的匹配较容易保持在一个合理的范围,燃烧效果较为理想。
气帽上可以至少有3个气喷出孔具有TC特征,所述TC特征是指:设Qk孔是任意一个具有TC特征的气喷出孔,Qk孔的出口端面的中心点为Fk,点Fk与燃气喷枪头部轴线的距离为HTCk,HTCk的范围是:15mm≤HTCk≤28mm,此为TC特征。HTCK在该范围内时,气喷出孔之间易于形成一个能量较强的着火区域,在该着火区域内,气喷出孔之间相互传递热量和活性中心,使总体火焰的着火过程更稳定。
在气帽上具有TC特征的气喷出孔当中,可以至少有3个气喷出孔具有TA特征,所述TA特征是指:设Qi孔是任意一个具有TA特征的气喷出孔,将燃气喷枪头部的轴线称为LR线,过Qi孔的出口端面的中心点Fi作一个垂直于LR线的平面PAi,设平面PAi与LR线的交点为点Oi,过点Fi作与直线OiFi相垂直的平面PSi,过点Fi作Qi孔的轴线的切线FiVi,直线FiVi与平面PSi之间的夹角为αi,αi的范围是:0°≤αi≤60°,此为TA特征。αi在该范围内时,可以使具有TA特征的气喷出孔形成的火焰呈一个圆柱形或者呈一个锥角较为合理的伞状形状,试验表明,这样有利于火焰着火和传播的稳定,有利于提高燃烧效率,使燃烧更完全。
设气帽上所有的气喷出孔的流通面积之和为SS,SS的范围可以在如下优选区段选取:38mm2≤SS≤760mm2,所述的任何一个气喷出孔的流通面积,是指该气喷出孔的内腔通道中最狭窄处的通道截面的面积,在此所述的最狭窄处,是指该处的通道截面的面积在该气喷出孔的内腔通道的所有截面的面积当中最小。这是经过试验获得的一个较佳的使用区段,SS在该范围内时,与助燃风匹配较好,燃烧效果较为理想,火焰与现有的烧嘴砖或燃烧室筒体的匹配较为理想。
设气帽上所有的气喷出孔的流通面积之和为SS,设气帽上具有TC特征的气喷出孔的流通面积之和为STC,比值RTC=STC/SS,RTC的范围可以在如下优选区段选取:0.76≤RTC≤1。RTC在该范围内时,燃气大部分集中于位于比较合适的分布范围内的气喷出孔喷出,经目前的试验情况表明,这样有利于在气喷出孔之间形成一个能量较强的着火区域,使总体火焰的着火过程比较稳定。
在从气帽起上溯至窑边燃气输送同组支管之间的燃气通道中设置有燃气控制板,燃气控制板上开设有燃气控制孔。同组支管是指分组供气的煤气管路到达同一组燃气喷枪所共用的支管。试验表明,这样有利于控制燃气与助燃风混合的速度,使着火过程和火焰传播更加稳定。
在燃气调控板上开设的燃气控制孔的流通面积之和为AT,AT的范围可以在如下优选区段选取:7mm2≤AT≤78mm2;所述的任何一个燃气调控孔的流通面积,是指该燃气控制孔的内腔通道中最狭窄处的通道截面的面积,在此所述的最狭窄处,是指该处的通道截面的面积在该燃气控制孔的内腔通道的所有截面的面积当中最小。这是经过试验获得的一个较佳的使用区段,AT在该范围内时,着火过程和火焰传播都比较稳定。
在所述燃气喷枪头部的结构中还设置有外风管,外风管套在气管之外,外风管与气管之间有外风道。这样可以通过外风道再进入一股助燃风,用以补充助燃空气,使燃气喷枪的调节范围加宽。
在所述燃气喷枪头部的结构中还设置有风板,风板设置在外风道的出口端,在风板上开设有风喷出孔。这样可以从风板上开设的风喷出孔向燃烧区域补充助燃风。
在燃气喷枪头部之外还套有燃烧室套筒,燃烧室套筒之内有燃烧室套筒内腔,过任意一个气喷出孔的出口端面的中心点作一个垂直于燃气喷枪头部轴线的平面,该平面与燃气喷枪头部轴线的交点称为垂交点,对比燃气喷枪上所有气喷出孔的垂交点,将其中在燃气喷枪头部轴向的正方向上最靠下游的那个垂交点称为最下游垂交点CG,所述燃气喷枪头部轴向的正方向,是指沿着燃气喷枪头部轴线向着燃气喷枪的靠近窑炉炉膛的一端前进的方向;设燃烧室套筒内腔的轴线为LT线,过点CG作一个垂直于LT线的平面PCG,作与平面PCG的距离分别为10mm和76mm的平面,相对应地分别称为平面PF和平面PH,平面PF、平面PH与燃烧室套筒内腔的出口端位于平面PCG的同一侧;设位于平面PF与平面PH之间的那一段燃烧室套筒内腔所形成的通道中最狭窄处的通道截面的面积为SN,SN的范围可以在如下优选区段选取:1666mm2≤SN≤6460mm2,在此所述的最狭窄处,是指该处的通道截面的面积在该段燃烧室套筒内腔所形成的通道的所有通道截面的面积当中最小。本实用新型的燃气喷枪头部的上述各个方案,是参照SN在上述范围内进行设计的,故而燃气喷枪的上述各方案与所对应的SN在上述范围内的燃烧室筒体内腔的匹配较好,着火、火焰传播及其他各方面燃烧效果都较理想;同时,SN在上述范围时,本实用新型的燃气喷枪头部所形成的火焰射流以一定的扩张角与燃烧室筒体内腔壁面发生碰撞与摩擦,燃烧室筒体内腔壁面在碰撞与摩擦处形成一个炽热的区段,这样有利于整个火焰射流的着火稳定与火焰传播稳定。试验结果表明,燃气喷枪头部方案与燃烧室筒体内腔的方案结合得很好。
将燃烧室套筒内腔的出口端面的中心点称为点CR,点CG与点CR的距离为HGR,HGR的范围可以在如下优选区段选取:HGR≤260mm。试验表明,HGR在该范围内时,有利于提高火焰射流从燃烧室筒体内腔出口喷出的速度,并且有利于加大火焰射流的射程。
燃烧室套筒内腔的出口端面的中心点,是指燃烧室套筒内腔的出口的一端的端面的形心。
风帽与气帽为一体成型或经过相连接而形成一个分部件,称为TT分部件,TT分部件与内风管相连接,气帽与气管之间为间隙配合。这样设计结构紧凑,并使加工方便,且使用方便。
与现有技术相比,本实用新型具有如下优点与有益效果:
1.火焰射流的喷射速度较快,可加强对陶瓷制品的传热,火焰喷射有力,刚性较强,可以根据窑炉的需要合理地加大火焰射流的射程,减小温差。
2.着火和火焰传播都较稳定,使火焰稳定性增强,改善燃烧状况,使燃烧更充分完全,提高燃烧效率,节能,减少污染。
3.能改善燃烧产物与窑炉烟气的混合效果,能改善陶瓷制品的氧化,提高产品质量。
4.助燃风利用率高,从而可以减少燃气喷枪的不必要的过剩助燃风的流量,起到节能的作用,使窑炉的能耗降低了。
5.本实用新型经过大量的试验表明,该燃烧装置燃烧效率高,火焰清晰,所需助燃风过剩系数小,火焰稳定,调节范围较宽,火焰喷射有力,射程可根据需要达到较远的范围。可以使用天然气、石油液化气、发生炉煤气,也可以使用其他可燃气体,都能达到较优的使用效果。