CN102997240A - 一种稳定火焰传播的燃气燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种稳定火焰传播的燃气燃烧器，燃烧器本体包括自下而上依次连接的燃气输入端口、燃气喷管、一次阻尼扩散腔和燃烧室，所述燃气喷管直径为d₁，所述一次阻尼扩散腔直径为d₂，燃烧室直径为d₃，所述火焰喷口直径为d₄，满足d₁＜d₂＜d₃，d₄＜d₃。所述燃烧室上端的火焰喷口内侧的涡流挡片，使燃烧室内形成环形空腔体，火焰在此腔内燃烧，燃烧室相对一次阻尼扩散腔增大截面积，对燃气速度起到二级减速作用，保证点火成功率高，燃烧稳定，且燃气气压适用范围宽，包括超低速的大气式燃烧、低速的本生式燃烧、二次混合燃烧、湍流式燃烧、高速的全预混燃烧和供氧式超高速燃烧等工作模式下都能稳定燃烧，具有体积小，燃烧的稳定性，且有点火成功率高、燃烧器热重比大、结构简单的特点。

Description

一种稳定火焰传播的燃气燃烧器

【技术领域】

本发明涉及燃烧器，尤其是一种稳定火焰传播的燃气燃烧器。

【背景技术】

传统燃气燃烧器一般采用“焰面”进行火焰传播，通常用法向火焰传播速度U1来描述“焰面”在燃气体中的传播速度,也称燃烧速度。工程上使可燃混合气体，即过剩空气系数α≤1的燃气和空气的混合物，以下简称：燃气。从冷态管中流出，且燃气流速为U2，当U2≤U1时，燃气与“焰面”相遇被点燃形成连续燃烧。这一传火方式的缺点在于：燃烧速度U1的速度受环境因素和过剩空气系数α影响比较大，当燃气流速U2大于燃烧速度U1时出现“离焰”故障；当燃气流速U2小于燃烧速度U1时出现“回火”故障，燃气燃烧状态受传火速度影响较大燃烧稳定性差。二次燃烧技术虽然通过降低一次空气过剩系数使α≈5有效防止了“回火”问题但燃烧速度低，在相同热负荷要求下燃烧器体积较大，即燃重比；且燃烧速度调节范围窄小，燃烧器有效工作区间小。本发明即针对此问题研究提出一种稳定火焰传播的燃气燃烧器。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种稳定火焰传播的燃气燃烧器，其特点是通过改善传火机理，化解传火速度影响燃烧速度问题，实现传火速度与燃烧速度的自适应调节，保证燃烧的稳定性，且有点火成功率高、燃气气压适用范围宽、燃烧器热重比大、结构简单的特点。

为解决上述技术问题，本发明一种稳定火焰传播的燃气燃烧器，采用如下技术方案：

本发明一种稳定火焰传播的燃气燃烧器，包括燃烧器本体，所述燃烧器本体包括自下而上依次连接的燃气输入端口、燃气喷管、一次阻尼扩散腔和燃烧室，所述燃气输入端口连接燃气供给系统，所述燃烧室上端设有火焰喷口，所述火焰喷口内侧设有涡流挡片。

所述燃烧器本体为回转体结构。

所述涡流挡片为设在火焰喷口向内侧收缩的圆环带。

所述燃气喷管直径为d₁，所述一次阻尼扩散腔直径为d₂，燃烧室直径为d₃，所述火焰喷口直径为d₄，且，满足d₁＜d₂＜d₃和d₄＜d₃。

所述燃气喷管用于使燃气体在供给压力作用下产生较高的气体流速，燃气喷管直径d₁设置大小要求，以当可能出现的最低燃气体流速出现时，系统不会发生回火现象，而且要与燃气喷管高度h₁配合保证系统无回火现象。

燃气喷管气流截面积为S₁，按公式计算：

$S=\frac{{\mathrm{\πd}}^2}{4}$

燃气喷管高度h₁，目的是增加气流通道长度，增加散热面积，防止回火，并隔离燃烧室与燃气输入端口，防止燃烧室的火焰温度对燃气输入端口产生影响，h₁长度与供气最低喷射速度相关，与喷射速度成反比。

一次阻尼扩散腔用于将燃气喷管高速气流降速，其气体全压变化关系符合伯努利气压方程：

$p_1+\frac{p\left({v_1}^2\right)}{2}+p_g{h}_1=p_2+\frac{p\left({v_2}^2\right)}{2}+p_g{h}_2$

其中：气体动压强为：

与流速有关，气体静压强为p_x，气体热升力形成的静压强为p_gh，垂直高度为h。

由伯努利方程可以看出，流速高处压力低，流速低处压力高。燃烧室没有燃烧的情况下，降低气流速度有助于点火；当燃烧室气体引燃后，静压力P有助于防止燃烧火焰向后的压力；增加燃气体预热时间以稳定燃烧过程的连续性。

一次阻尼扩散腔的截面积为S₂，一次阻尼扩散腔高度为h₂，考虑气流惯性对最终速度的影响，降速需要一定距离予以保证，h₂与火焰最高喷射速度成正比关系。通过气流通道截面增大，使燃气气流速度得到一次减速。

所述燃烧室上端的火焰喷口，内侧设有涡流挡片，使燃烧室内形成以稳定燃烧为目的的环形空腔体，燃气在一个悬浮的腔内空间燃烧，可以减少燃烧室内壁对火焰温度损失，同时避免了燃烧室内壁过热损坏的问题。燃烧室直径d₃与燃烧功率为正比关系，且d₃>d₂，燃烧室截面积为S₃，燃烧室增大截面积对燃气速度起到二级减速作用，以支持点火成功率。

燃气没有燃烧前，燃烧室内气体流速相对比较慢，由伯努利方程可知，对外静压力上升，设在燃烧室出口处的火焰喷口直径为d₄，且有d₄<d₃，这一结构使燃烧室形成一个半开放式的环形空腔体，环形空腔体厚度为：d₃-d₄，环形空腔体大小与燃烧时火焰喷射速度相关，是一个与燃烧室大小成一定比例的常量，环形空腔体厚度过小会使传火涡流形成不良，影响传火导致火焰不稳定，环形空腔体厚度过大，燃烧室体积则增加。燃烧过程所需要的时间及传火距离，受燃烧室高度h₃的影响。

燃烧室没有燃烧的情况下，相对比较低气流速度有助于点火，在没有燃烧时，燃烧器各部位燃气单位时间内气流体积确定，按同一通道内气流体积相等原则有：

v₁S₁=v₂S₂=v₃S₃

其中：

v₁：燃气喷管的气体流速，（m/s）

v₂：一次阻尼扩散腔的气体流速，（m/s）

v₃：燃烧器的气体流速，（m/s）

注：以上流速为没有燃烧时各部位中燃气流速。

所以，气流速度与气流通道截面积之间的关系为：

$v_i=v_{i+1}\frac{S_{i+1}}{S_i}$

其中：i=1,2,…n考虑到d₁<d₂<d₃，则有S₁<S₂<S₃，v₁>v₂>v₃

根据伯努利方程，忽略高度差因素h，有以下气流全压公式：

$p_1+\frac{p\left({v_1}^2\right)}{2}=p_2+\frac{p\left({v_2}^2\right)}{2}=p_3+\frac{p\left({v_3}^2\right)}{2}$

考虑到v₁>v₂>v₃有：

$\frac{p\left({v_1}^2\right)}{2}>\frac{p\left({v_2}^2\right)}{2}>\frac{p\left({v_3}^2\right)}{2}$

动压强随着气流通道截面积的增大而下降，并且是非线性关系。

随着气流通道截面积增大其静压力强变化趋势为：

p₁<p₂<p₃

其中：

p₁：燃气喷管内燃气静压值，（Pa）

p₂：一次阻尼扩散腔内燃气静压值，（Pa）

p₃：燃烧器内燃气静压值，（Pa）

注：以上静压值为没有燃烧时各部位中燃气静压值。

燃气被点燃时，火焰与燃烧室壁由气体隔离，可防止火焰直接对燃烧室侧壁直接加热，减少燃烧室内火焰温度损失，有利于稳定燃烧过程；燃气燃烧时火焰由“一次扩散腔”向“火焰喷口”方向流动，在环形空腔体形成一个环形涡流带，其作用是将燃烧火焰的一小部分返回到火焰根部，形成火焰传播涡流承担传火任务，传火涡流速度与喷射火焰气流速度相当，使传火速度能够根据火焰喷射速度进行自适应变化，保证燃烧速度得以快速进行，并燃烧稳定。

燃气喷射管产生高速燃气体喷射，提供降温防止燃气回火，一次阻尼扩散腔通过气流通道截而增大，提供一次气流速度减速，给燃气体提供预热时间，保证稳定燃烧过程的连续性，燃气体进入到燃烧室内，并燃烧，通过火焰喷口将火焰喷出，在厚度为：d₃-d₄环形空腔体中产生传火涡流环对燃气体实现火焰传播，以维持火焰的持续进行。传火涡流的流速约等于火焰喷射速度，传火涡流速度是一个自动控制过程，这一原理能够确保火焰的连续性。

空气助燃时，火焰温升最高可以达到1700K，按气态体积方程：

$\frac{V1}{T1}=\frac{V2}{T2}$

其中V为体积，T为开氏温度，则有：

$V2=\frac{T2}{T1}V1$

当T1为常温，T2=1700K时，燃烧时烟气体积V2比冷态时的燃气体的体积V1大，约1700倍。因此，燃气燃烧时，燃烧室内会产生一个额外的气压p₄，p₄在燃烧室内为各向同性关系，其压力大小为火焰通过火焰喷口时产生的全压强，结构保证了火焰喷射的最大速度否则燃烧过程将停止，这是一个自动控制过程。

在燃烧室内过剩空气系数α≥0.8，燃烧过程中外焰长度随着过剩空气系数的增大而减小，因此正常燃烧过程中外焰中存在部分湍流火焰。

本发明一种稳定火焰传播的燃气燃烧器，燃烧器本体包括自下而上依次连接的燃气输入端口、燃气喷管、一次阻尼扩散腔和燃烧室，所述燃气喷管直径为d₁，所述一次阻尼扩散腔直径为d₂，燃烧室直径为d₃，所述火焰喷口直径为d₄，满足d₁＜d₂＜d₃，d₄＜d₃。所述燃烧室上端的火焰喷口内侧的涡流挡片，使燃烧室内形成环形空腔体，火焰在此腔内燃烧，燃烧室相对一次阻尼扩散腔增大截面积，对燃气速度起到二级减速作用，保证点火成功率高，燃烧稳定，且燃气气压适用范围宽，包括超低速的大气式燃烧、低速的本生式燃烧、二次混合燃烧、湍流式燃烧、高速的全预混燃烧和供氧式超高速燃烧等工作模式下都能稳定燃烧，具有体积小，燃烧的稳定性，且有点火成功率高、燃烧器热重比大、结构简单的特点。

【附图说明】

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明尺寸标注示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

本发明一种稳定火焰传播的燃气燃烧器，包括燃烧器本体1，在于燃烧器本体1包括自下而上依次连接的燃气输入端口2、燃气喷管3、一次阻尼扩散腔4和燃烧室5，所述燃气输入端口2的下端连接燃气供给系统，所述燃烧室5上端设有火焰喷口6，所述火焰喷口6内侧设有涡流挡片7。所述燃气喷管3直径为d₁，所述一次阻尼扩散腔4直径为d₂，燃烧室5直径为d₃，所述火焰喷口6直径为d₄，且满足d₁＜d₂＜d₃，d₄＜d₃。

所述燃烧室5上端的火焰喷口6内侧设置的涡流挡片7，使燃烧室5内形成环形空腔体，火焰在此腔内燃烧，燃烧室5相对一次阻尼扩散腔4增大截面积，对燃气速度起到二级减速作用，可以提高点火成功率和保证燃烧稳定性。

当燃烧器点火燃烧前，可燃混合气首先进入到燃气输入端口2，由于燃气输入端口2与火焰喷口6存在气压差，可燃混合气往火焰喷口6方向喷射运动，燃气经燃气喷管3流入一次阻尼扩散腔4时，因通道面积增加可燃混合气的喷射速度得到一次减速，可燃混合气随之再进入到燃烧室5，因燃烧室5通道面积比一次阻尼扩散腔4通道面积大，使可燃混合气的喷射速度再次减速，即二次减速，较低气体流量保证点火的成功率。

当燃烧器点火燃烧后，燃烧室5内的可燃混合气通过燃烧形成火焰，其体积迅速膨胀，这一过程在燃烧室5内形成一个与原供气系统压力相独立的气体压力P4，P4的方向在燃烧室5内呈现各向同性关系，其大小按火焰从火焰喷口6喷射速度成正比，P4与一次阻尼扩散腔4中可燃混合气压力P3方向相反，但总有P4≤P3这是一个自动调节过程，如果P3≤P4出现时，即有供气量减少，燃烧强度下降，火焰喷口6喷射速度下降，P4下降，以确保P4≤P3，这一稳定燃烧的自动调节关系。

燃烧室5与涡流挡片7形成一个环形空腔体，燃烧室5内燃烧火焰在涡流挡片7的作用下在环形空腔体中形成环形高温烟气涡流带，涡流方向与火焰平行，涡流速度约等于火焰速度。其作用是将燃烧火焰的一小部分返回到火焰根部，形成传火涡流，承担传火任务，在结构上保证了传火涡流速度与喷射火焰气流速度相当，使传火速度能够根据火焰喷射速度进行自适应变化，保证燃烧速度得以快速进行，并燃烧稳定。

Claims (4)

1.一种稳定火焰传播的燃气燃烧器，包括燃烧器本体（1），其特征在于燃烧器本体（1）包括自下而上依次连接的燃气输入端口（2）、燃气喷管（3）、一次阻尼扩散腔（4）和燃烧室（5），所述燃气输入端口（2）的下端连接燃气供给系统，所述燃烧室（5）上端设有火焰喷口（6），所述火焰喷口（6）设有涡流挡片（7）。

2.按权利要求1所述一种稳定火焰传播的燃气燃烧器，其特征在于所述燃烧器本体（1）为回转体结构。

3.按权利要求1所述一种稳定火焰传播的燃气燃烧器，其特征在于所述涡流挡片（7）为设在火焰喷口（6）向内侧收缩的圆环带。

4.按权利要求2所述一种稳定火焰传播的燃气燃烧器，其特征在于所述燃气喷管（3）直径为d₁，所述一次阻尼扩散腔（4）直径为d₂，燃烧室（5）直径为d₃，所述火焰喷口（6）直径为d₄，满足d₁＜d₂＜d₃，d₄＜d₃。

Images