CN103836622B - 一种液体本生灯 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种液体本生灯，包括依次连接的喷嘴、混合管和灯头，所述喷嘴包括同轴心安装的位于内环用于喷空气或助燃气体的内空气管、位于中环用于喷液体的液体管和位于外环用于喷空气的外空气管；所述混合管为U形管且其一端至另一端逐渐扩大，灯头为底部直径与所述混合管直径相同的锥形管，在灯头的锥顶管口处设置有供液体燃烧的燃烧口。本发明在液体燃料和进给空气略高于大气压力的情况下实现了液体燃料的稳定雾化。整个液体本生灯的设计与其它实验设备相比较，成本较少，所需的试验用燃料仅为10ml左右，节约了试验经费，且方便对于火焰传播速度的测量。
Description
技术领域
本发明涉及燃具领域，特别是涉及一种液体本生灯。
背景技术
火焰传播速度是指火焰前锋沿其法线方向相对于未燃物方向的推进速度，火焰传播速度表征了进行燃烧过程的火焰前锋在空间的移动速度，是研究火焰稳定性的重要数据之一。测量火焰传播速度的方法包括本生灯法、圆柱管法、定容球法、肥皂泡法、对冲火焰法和平面火焰燃烧器法等。其中本生灯火焰是实验室中最为常见的一种火焰，本生灯结构简单，操作方便，是热科学试验中重要的基础性实验台架。现有的本生灯都是气体本生灯，燃料气由本生灯的底部通入，空气从气孔被夹带进入燃料气，通过灯颈进行一定程度的混合后在灯头燃烧。
在目前还未出现使用液体作为燃料的本生灯，其难点主要集中在微小流量情况下的液体燃料蒸发及与空气混合过程的强不稳定性对火焰稳定性造成的脉动现象等，从而无法得到稳定的层流火焰。
发明内容
本发明的目的是要提供一种能够使用液体作为燃料的本生灯。
特别的本发明提供一种液体本生灯，包括依次连接的喷嘴、灯管和灯头，其中：
所述喷嘴包括同轴心安装的位于内环用于喷空气或助燃气体的内空气管、位于中环用于喷液体的液体管和位于外环用于喷空气或助燃气体的外空气管；
所述灯管为U形管，包括依次连接的雾化扩张管、蒸发扩张管和混合管；其中
所述雾化扩张管为一端至另一端逐渐扩大的锥形管，所述雾化扩张管的锥顶管口与喷嘴的外空气管的外管壁连接，
所述蒸发扩张管为一端向另一端逐渐扩大的半圆弧形管，且其与所述雾化扩张管连接一端的管口直径与所述雾化扩张管的锥底管口直径相同，
所述混合管为直径与所述蒸发扩张管的扩大端管口直径相同的圆柱管，且混合管的长度大于所述雾化扩张管的长度；
所述灯头为底部直径与所述混合管直径相同的锥形管，在灯头的锥顶管口处设置有供燃料燃烧的燃烧口。
进一步的，所述喷嘴在液体喷出方向的所述内空气管、所述液体管和所述外空气管的管口不位于同一个平面，其中
相对所述液体管的管口，该
所述内空气管的管口相对液体喷出方向位于所述液体管的管口的后方；而
所述外空气管的管口相对液体喷出方向位于所述液体管的管口的前方。
进一步的，所述喷嘴的内空气管、液体管和外空气管通过银焊固定在一起；其中
所述液体管套在所述内空气管外，利用银焊将所述液体管的进液端密封焊接在所述内空气管的外管壁上；
将所述外空气管套在所述液体管外，利用银焊将所述外空气管的进气端密封焊接在所述液体管的外管壁上。
进一步的，所述外空气管和液体管的封闭端的同一侧面分别垂直设置外导气口和进液口；
所述内空气管的进气端与外导气口和进液口的同侧垂直设置有内导气口；
其中外导气口和进液口及进液口和内导气口以各自的轴心线为准，间隔距离相等，而且
所述外空气管的管口至外导气口轴心线的距离与外导气口和进液口两者轴心线之间的距离相同。
进一步的，所述雾化扩张管上设置有测量雾化扩张管内部温度的温度传感器A。
进一步的，所述蒸发扩张管的内部位于中间的位置处设置有垂直通道轴心线的不锈钢丝网A。
进一步的，所述蒸发扩张管进混合气的入口端管口与出混合气的出口端管口的直径之比为1∶2。
进一步的，所述混合管与蒸发扩张管接触一端的管口内设置有垂直通道轴心线的不锈钢丝网B，所述混合管的管壁上设置有测量混合管内混合气温度的温度传感器B，以及测量混合管内混合气流速的流量计。
进一步的，所述灯头与混合管接触一端的管口内设置有防止火焰回火的防火网，所述灯头的燃烧口内设置有水平向轴心凸出的凸圈，所述凸圈上放置可以更换的垫片，所述垫片的中心有透孔，其中透孔直径不同的垫片对应调整不同的燃油火焰传播速度。
进一步的，所述灯管的外表面上包覆有控制混合管内部温度的加热带，所述加热带为由电热丝构成的电热丝网或缠绕有电热丝的布制品。
本发明的喷嘴设计实现了2mm以下同轴套管的设计制作，在液体燃料粘性和表面张力以及液体燃料和进给空气略高于大气压力的情况下，实现了液体燃料的稳定雾化。灯管的U型渐扩空间设计是为了保证液体颗粒在重力及热空气流的共同作用下稳定蒸发，从而实现液体燃料雾化。在灯管内加装不同孔径大小的不锈钢丝网，可使气液中的小液滴破碎成小分子，提高雾化效果。在灯头内加装网径为1mm的防火网，可避免回火现象带来的安全隐患。在灯头出口处安装可通过定制的不同穿透孔内径的垫片，以调整和稳定不同燃料情况下的三角形火焰锥。垫片内径的不同也确定了不同燃料的燃烧速度。通过加热带能够控制灯管温度并保温，以确保液体燃料雾化蒸发稳定。整个液体本生灯的设计与现有技术测量方法相比较，成本较少，所需的试验用燃料仅为10ml左右，节约了试验经费，且对于火焰传播速度不但能测量而且还可调节外部条件来随时改变测量环境，以得到不同的测验结果。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的液体本生灯结构示意图；
图2是图1所示实施例的喷嘴结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例中液体本生灯内混合气点燃后形成的火焰形状示意图；
图4是根据本发明一个实验中的过量空气系数与火焰传播速度之间的相关性曲线图。
具体实施方式
图1是根据本发明一个实施例的液体本生灯示意图。液体本生灯一般性的包括依次连接的喷嘴1、灯管2和灯头3。该喷嘴1包括同轴心安装的位于内环可以用于通空气或助燃气体的内空气管103。位于中环可以用于喷液体的液体管102，和位于外环可以用于喷空气或助燃气体的外空气管101。外空气管101、液体管102和内空气管103形成一个同心的三环嵌套结构，各管之间具有一定的空隙，以保证相应气体、液体的流通。该灯管2可以为U形管，其包括依次连接的雾化扩张管201、蒸发扩张管202和混合管203。其中雾化扩张管201可以为一端至另一端逐渐扩大的锥形管。该雾化扩张管201的锥顶管口可以与喷嘴1的外空气管101的外管壁连接。而蒸发扩张管202为一端向另一端逐渐扩大的半圆弧形管。可以将且与雾化扩张管201连接一端的管口直径设置成与雾化扩张管201的锥底管口直径相同的结构。通过内部管径的平稳过度，使得混合后的液体流动更加顺畅。混合管203可以为直径与蒸发扩张管202的扩大端管口直径相同的圆柱管。可以将混合管203的长度设置成大于雾化扩张管201的长度，以保证最终混合气的均匀混合和平稳流动。本发明中整个灯管2可以看作是由两端的直管加中间的弯管构成，而且其进液端端向出液端的直径呈逐渐扩大的形状。在整个灯管2内部为流线型连接。各连接点的连接方式可以是卡合、螺纹、插接等方式。作为最终混合气燃烧的灯头3，采用底部直径与混合管203直径相同的锥形管。在灯头3的锥顶管口处可以设置供混合气燃烧的燃烧口。灯头3的底部直径大于燃烧口的直径，这样的结构使混合气在向燃烧口流出时有个收缩的过程，利用稳定火焰。本发明利用液体作为本生灯的燃料，通过雾化使其成为均匀分子型的混合气体燃料，为本生灯提供了稳定的火焰，其中喷嘴1在液体燃料喷入时即可以与定量空气混合，不需要再调控空气量。而且喷嘴1采用两层空气夹住液体同时喷出的结构，能够使液体由喷口喷出后被内外两层空气破碎并混合以进行雾化，使液体雾化更充分、稳定。
图2是图1所示实施例的喷嘴示意图。本发明为保证气液的混合度并提高雾化效果，喷嘴1在液体喷出方向的内空气管103、液体管102和外空气管103的管口不处于同一个平面上。如以液体管102的管口为参照，则内空气管103的管口收缩到液体管102的管口后方，而外空气管101的管口伸出到液体管102的管口前方。从侧面看，内空气管103、液体管102和外空气管101三者的管口依次外伸。这样可以使各自喷出的气体或液体之间形成流差，以保证中间的液体能够被内外不同流速的气体充分搅拌，提高液体雾化效果。
在本发明的一个实施例中，喷嘴1中的内空气管103、液体管102和外空气管101可以通过银焊固定在一起。其中液体管102套在内空气管103外，在确定两者的管口距离后，可以利用银焊将液体管102的进液端密封焊接在内空气管103的外管壁上。然后再将外空气管101套在液体管102外，在确定两者的管口距离后，可以利用银焊将外空气管101的进气端密封焊接在液体管102的外管壁上。在焊接时需要保证各管口之间的间隔距离，同时还需要在各管管身上留出各自的进气口或进液口的位置。银焊将套在内空气管103外的液体管102和外空气管101与出口相对的另一端完全密封，可以避免气体或液体泄露。
在本发明的一个进一步实施例中，可以在外空气管101和液体管102的封闭端的同一侧面分别垂直设置外导气口104和进液口105。在内空气管103的进气端与外导气口104和进液口105的同侧垂直设置内导气口106。从外部观察，整个喷嘴的三个管子的进气口和进液口位置和方向都位于同一侧边和同一角度。此结构能够方便控制各管的进气或进液量。
为控制喷嘴中各气体或液体的流速，其中外导气口104和进液口105及进液口105和内导气口106以各自的轴心线为准，间隔距离可以相等。而且外空气管101的管口至外导气口104轴心线的距离与外导气口104和进液口105两者轴心线之间的距离也可以相同。即三个管子位于同一侧的进气口或进液口，不论直径大小，相邻口之间的轴心线间隔距离相同。这样的结构便于控制气体或液体进入外空气管101、液体管102和内空气管103的时间和流速。采用垂直方式安装的外导气口104、液体口105和内导气口106，可以在气体或液体进入相应的管内时，会由于折角的原因形成一个缓冲，并使气体或液体出现旋转的效果，为喷口液体雾化提供了良好的基础。
在本发明的一个实施例中，可以在雾化扩张管201上设置测量雾化扩张管内部温度的温度传感器A205。由于温度的高低能够影响气体和液体的混合比，因此通过温度传感器A205来获取雾化扩张管201内的温度并控制温度变化，可以将雾化反应维持在最佳状态。
在本发明的一个实施例中，为提高液体雾化效果，可以在蒸发扩张管202的内部位于中间的位置处设置垂直通道轴心线的用于均匀混合混合气的不锈钢丝网A204。当初步雾化后的液体由雾化扩张管201进入蒸发扩张管202后，其中一些较大的液体颗粒会被不锈钢丝网A204挡住，并破碎成较小的颗粒，使雾化效果更均匀。
在本发明的一个实施例中，为使雾化后的液体有更充分的混合空间，蒸发扩张管202以喷嘴1向灯头3运动方向为参照，其入口端管口与出口端管口的直径之比为1∶2。该蒸发扩张管202的管身由一端向另一端逐渐扩大，最终的出口直径是入口直径的两倍，此结构可为混合气提供充分的混合空间。
在本发明的一个进一步实施例中。为进一步提高液体的雾化效果，可以在混合管203与蒸发扩张管202接触一端的管口内设置垂直通道轴心线的用于均匀混合混合气的不锈钢丝网B208。不锈钢丝网B208可以对不锈钢丝网A204过滤后的混合气体再进行补充破碎。一般的，不锈钢丝网B208的目数密度比不锈钢丝网A204的更小，这样可以将混合气中的小颗粒进一步雾化为分子状态，提高混合气的燃烧稳定性。为了控制混合管203内混合气的流速和温度，在混合管203的管壁上设置有测量混合管内混合气温度的温度传感器B206。还设置有测量混合管内混合气流速的流量计207。通过温度传感器B206和流量计207可以获取混合管203内混合气的当前状态，并根据相应测量参数获取不同燃料燃烧的燃烧参数，为计算不同燃料的火焰传播速度提供帮助。
在本发明的一个实施例中，灯头3与混合管203接触一端的管口内设置有可以封闭管口以防止火焰回火的防火网301。防火网301的设制可以防止混合气在流速过低时的火焰回火。本发明中的防火网301可以采用目数直径为1mm的不锈钢丝网。灯头3的燃烧口内可以设置水平向轴心凸出的凸圈。凸圈上放置有可以更换的垫片302，垫片302中心有穿透孔，其中穿透孔直径不同的垫片302对应调整不同的燃料火焰传播速度。不同的燃料燃烧有不同的燃烧效果，因此单位时间内通过垫片302的混合气多少就会影响最终的火焰传播速度，所以在使用不同的燃料时，可以根据需要更换相应穿透孔直径的垫片302，从而控制燃烧火焰的大小。
在本发明的一个实施例中，为保证燃料在雾化时能够充分雾化，在灯管2的外表面上包覆有可以控制灯管2内部温度的加热带4。加热带4为由电热丝构成的电热丝网或缠绕有电热丝的布制品。可以根据温度传感器A205和温度传感器B206反应的混合气温度值，来控制加热带4提供相应的温度。在不需要时，加热带4可以作为保温层对灯管2进行保温。如：正常条件下，参与混合的空气为100℃，而液体燃料温度为60℃时比较合适，因此如果温度传感器A205反应的温度不符合标准时，可以调整加热带4提供相应的加热温度。
本发明的喷嘴设计实现了2mm以下同轴套管的设计制作。为使液体燃料良好雾化，当将进给空气温度加热到100℃，燃油温度60℃时，在未改变液体燃料的理化特性的情况下，通过液体燃料粘性和表面张力的作用，给液体燃料和进给空气施加略高于大气的压力，则可以实现液体燃料的稳定雾化。本发明的液体可以采用煤油。此外，外空气管101和内空气管103除提供空气外，还可以使用助燃空气，如氧气。整个液体本生灯的设计与激波管法、对冲火焰试验台等设备相比较，成本较少，所需的试验用燃料紧为10ml左右，大大节省了试验经费。
本发明的液体本生灯的火焰传播速度测量方法如下。
1、实验需要的设备包括：液体本生灯，采集火焰图像的照相机，获取实验中各设备数据的控制器，为喷嘴提供空气的空气瓶和提供燃油的注射器；
2、通过注射器向液体本生灯的喷嘴的液体管提供稳定的燃油，供给量保持在25ml／h时；
3、同时通过空气瓶给喷嘴的外空气管和内空气管提供空气；
4、使燃油和空气在液体本生灯的灯管内进行混合雾化并加热；
5、在液体本生灯的灯头处引入明火，点燃喷出的混合气。得到如图3所示的火焰。
在实验过程中，可以通过调节进给的空气量以保持灯头火焰的内锥三角形的稳定，利用控制器记录火焰的内锥高度与进给空气量之间的变化关系，然后绘制如图4所示的过量空气系数与火焰传播速度之间的相关性曲线图。
进行上述实验时的条件如下：
外界环境温度T1为20℃；
液体本生灯的灯管温度T2为100℃；
进给燃油的温度T3为60℃；
进给空气的温度T4为100℃；
燃油供给压力Pl为0.102MPa；
空气供给压力P2为0.105MPa；
求取当前燃油火焰传播速度的计算公式如下：
u0=318×Qv／(r(r2+h2)0.5)
其中Qv是混合气的体积流量(L／s)，h为火焰内锥高度(cm)，r为垫片的穿透孔的半径(cm)。得到的部分实验数据如下表所示；
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例公开如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。
Claims (10)
1.一种液体本生灯，其特征在于，包括依次连接的喷嘴、灯管和灯头，其中：
所述喷嘴包括同轴心安装的位于内环用于喷空气或助燃气体的内空气管、位于中环用于喷液体的液体管和位于外环用于喷空气或助燃气体的外空气管；
所述灯管为U形管，包括依次连接的雾化扩张管、蒸发扩张管和混合管；其中
所述雾化扩张管为一端至另一端逐渐扩大的锥形管，所述雾化扩张管的锥顶管口与喷嘴的外空气管的外管壁连接，
所述蒸发扩张管为一端向另一端逐渐扩大的半圆弧形管，且其与所述雾化扩张管连接一端的管口直径与所述雾化扩张管的锥底管口直径相同，
所述混合管为直径与所述蒸发扩张管的扩大端管口直径相同的圆柱管，且混合管的长度大于所述雾化扩张管的长度；
所述灯头为底部直径与所述混合管直径相同的锥形管，在灯头的锥顶管口处设置有供燃料燃烧的燃烧口。
2.根据权利要求1所述的液体本生灯，其特征在于，所述喷嘴在液体喷出方向的所述内空气管、所述液体管和所述外空气管的管口不位于同一个平面，其中
相对所述液体管的管口，该
所述内空气管的管口相对液体喷出方向位于所述液体管的管口的后方；而
所述外空气管的管口相对液体喷出方向位于所述液体管的管口的前方。
3.根据权利要求2所述的液体本生灯，其特征在于，所述喷嘴的内空气管、液体管和外空气管通过银焊固定在一起；其中
所述液体管套在所述内空气管外，利用银焊将所述液体管的进液端密封焊接在所述内空气管的外管壁上；
将所述外空气管套在所述液体管外，利用银焊将所述外空气管的进气端密封焊接在所述液体管的外管壁上。
4.根据权利要求3所述的液体本生灯，其特征在于，所述外空气管和液体管的封闭端的同一侧面分别垂直设置外导气口和进液口；
所述内空气管的进气端与外导气口和进液口的同侧垂直设置有内导气口；
其中外导气口和进液口及进液口和内导气口以各自的轴心线为准，间隔距离相等，而且
所述外空气管的管口至外导气口轴心线的距离与外导气口和进液口两者轴心线之间的距离相同。
5.根据权利要求1-4任一项所述的液体本生灯，其特征在于，所述雾化扩张管上设置有测量雾化扩张管内部温度的温度传感器A。
6.根据权利要求5所述的液体本生灯，其特征在于，所述蒸发扩张管的内部位于中间的位置处设置有垂直通道轴心线的不锈钢丝网A。
7.根据权利要求6所述的液体本生灯，其特征在于，所述蒸发扩张管进混合气的入口端管口与出混合气的出口端管口的直径之比为1∶2。
8.根据权利要求7所述的液体本生灯，其特征在于，所述混合管与蒸发扩张管接触一端的管口内设置有垂直通道轴心线的不锈钢丝网B，所述混合管的管壁上设置有测量混合管内混合气温度的温度传感器B，以及测量混合管内混合气流速的流量计。
9.根据权利要求1所述的液体本生灯，其特征在于，所述灯头与混合管接触一端的管口内设置有防止火焰回火的防火网，所述灯头的燃烧口内设置有水平向轴心凸出的凸圈，所述凸圈上放置可以更换的垫片，所述垫片的中心有透孔，其中透孔直径不同的垫片对应调整不同的燃油火焰传播速度。
10.根据权利要求1所述的液体本生灯，其特征在于，所述灯管的外表面上包覆有控制混合管内部温度的加热带，所述加热带为由电热丝构成的电热丝网或缠绕有电热丝的布制品。
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