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CN107435926A - 一种液体燃料与空气预混燃烧装置 - Google Patents

一种液体燃料与空气预混燃烧装置 Download PDF

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CN107435926A
CN107435926A CN201710942575.9A CN201710942575A CN107435926A CN 107435926 A CN107435926 A CN 107435926A CN 201710942575 A CN201710942575 A CN 201710942575A CN 107435926 A CN107435926 A CN 107435926A
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CN
China
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liquid fuel
air
combustion
burner
liquid
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CN201710942575.9A
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刘方杰
曹智焜
王站成
苗家轩
王鑫
徐斌
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Henan University of Science and Technology
Original Assignee
Henan University of Science and Technology
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Abstract

一种液体燃料与空气预混燃烧装置，属于预混燃烧技术领域，包括：混合部和燃烧部，所述的混合部包括，用于提供空气并将空气加热后输送至混合系统的空气供给系统，用于提供液体燃料并将液体燃料转化为蒸汽后输送至混合系统的液体燃料供给系统，用于将空气与液体燃料进行均质混合的混合系统；所述的燃烧部包括燃烧器及设置在燃烧器上的点火器，在燃烧器的两端分别设有进气口和排气口，点火器靠近排气口一侧。本发明有益效果：整套混合设备结构简单，制造成本低，日常使用和后期维护成本低，液体燃料转变为蒸汽后与空气能够形成均质混合气，点火器结构简单，点火能量可调，可实现预混稳定燃烧。

Description

一种液体燃料与空气预混燃烧装置
技术领域
本发明涉及预混燃烧技术领域，具体地说是一种液体燃料与空气预混燃烧装置。
背景技术
预混燃烧是指在燃烧前燃料与空气（或氧气）已经预先充分混合形成均质混合气，在燃烧器内进行着火、燃烧的过程，它是相对于扩散燃烧的另一种典型燃烧方式。燃烧装置中为了实现液体燃料预混燃烧，需要将液体燃料和空气进行均匀混合，形成均质混合气后供入燃烧室。传统的液体和空气混合装置一般通过喷嘴将液体燃料雾化与空气自然混合，该燃料雾化方式与混合方式难以实现短时间内均质混合的目的。
燃烧装置要求可燃混合气在不同流速下均能实现可靠点火，可燃混合气在高流速下如何实现可靠点火、火焰稳定燃烧是需要解决的关键技术问题。目前燃烧系统在混合气流速较高时点火元件存在散热过快的缺陷，高流速混合气流过点火元件，点火元件散热过快，导致点火能量不足；如采用电火花作为点火源，当混合气流速较高时，电火花点火难以形成火核或火核易淬熄，常出现点火能量不足，不能可靠点火等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种液体燃料与空气预混燃烧装置，解决液体燃料与空气形成均质混合气以及高流速混合气点火和稳定燃烧问题。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种液体燃料与空气预混燃烧装置，包括用于将液体燃料与空气进行均质混合的混合部和使混合气进行充分燃烧的燃烧部，
所述的混合部包括，用于提供空气并将空气加热后输送至混合系统的空气供给系统，用于提供液体燃料并将液体燃料转化为蒸汽后输送至混合系统的液体燃料供给系统，用于将空气与液体燃料进行均质混合的混合系统；
所述的燃烧部包括燃烧器及设置在燃烧器上的点火器，在燃烧器的两端分别设有燃烧器进气口和排气口，点火器靠近排气口一侧；
所述的混合系统包括混合器，混合器为空心密封结构，混合器的两端分别设有进气口和均质混合气出口，在混合器中心沿轴向方向固定设有中心轴，中心轴的外表面为螺纹状，在中心轴上套设多个导流风叶，相邻两个导流风叶的叶片方向相反设置；
所述点火器包括电热丝、点火开关以及密封管，电热丝设置于密封管内，点火开关位于密封管外且与电热丝连接，电热丝的长度方向垂直于密封管的轴向，所述电热丝外套设耐高温管，耐高温管表面设有多个供气流穿过的气孔，所述点火器通过其两端设置的法兰与燃烧器密封连接。
本发明所述的空气供给系统包括空气质量流量计、稳压箱、气泵和空气加热器，所述空气质量流量计通过管道与稳压箱的进气口连接，稳压箱的出气口通过管道与气泵连接，气泵通过管道与空气加热器的进气端连接，空气加热器的出气端与混合系统连接，在所述气泵与空气加热器之间的连接管道上设有空气流量控制阀。
本发明所述的液体燃料供给系统包括高压氮气瓶、液体燃料储存罐、液体流量控制阀和液体燃料蒸发器，所述高压氮气瓶通过管道与液体燃料储存罐的入口连接，液体燃料储存罐的出口与液体燃料蒸发器的入口连接，液体燃料蒸发器的燃料蒸汽出口与混合系统连接，在所述液体流量控制阀与液体燃料蒸发器之间的连接管道上设有液体质量流量计。
本发明所述导流风叶包括一环形连接件及均匀设置在环形连接件外围四周的多个叶片，所述的叶片为具有引流作用的弧形曲面，其向一个方向弯曲，对气体具有引流作用。
本发明所述燃烧器内由燃烧器进气口到点火器方向依次设有阻火器、火焰稳定器，所述的火焰稳定器通过法兰与燃烧器连接，火焰稳定器包括一圆盘，在该圆盘上均匀设有多个扰流气孔，在圆盘的外围圆周方向均匀设置多个螺纹孔，所述扰流气孔的直径为3mm。
本发明所述的液体燃料蒸发器包括液体燃料蒸发管和加热管，液体燃料蒸发管均匀螺旋缠绕在加热管外表面。
本发明所述液体燃料蒸发器与混合系统之间的连接管道表面以及混合器的外表面均设有保温层。
本发明所述空气加热器以及燃料蒸发器上均设有温度传感器以监测空气及液体燃料的加热温度。
本发明所述的导流风叶的个数为4-6个，且相邻两个导流风叶之间的距离为15-30cm。
本发明所述阻火器与火焰稳定器之间设有温度传感器以监测均质混合气的温度。本发明的有益效果是：本发明提供一种液体燃料与空气预混燃烧装置，尤其用于甲醇和空气的混合及燃烧，整套装置结构简单，制造成本低，降低日常使用和后期维护成本，具有以下优点：
1、其中空气供给系统用于提供液体燃料燃烧所需的空气，并调节燃料燃烧所需的空燃比，空气流量可按系统需要进行调节，并由空气流量计进行计量，设置空气质量流量计和空气流量控制阀，分别测量空气的质量流量和控制供给的空气量；液体燃料供给系统用于提供燃烧所需的液体燃料并控制液体燃料蒸汽的供应量，设置液体流量控制阀调节燃料的供给量，设置质量流量计计量供给的燃料量；混合系统用于均质混合燃料蒸汽和热空气；液体燃料蒸发管均匀缠绕布置在电加热管外部，加大蒸发受热面积，提高蒸发效率，蒸发器成本较低，电加热器的温度可以通过改变电加热器的功率进行调节；
2、所述导流风叶叶片的旋向有正旋和反旋两种，导流风叶的旋向正、反交错安装在固定中心轴上，当燃料蒸汽和热空气流经旋向正反交错安装的导流风叶而多次改变气流方向，有利于燃料蒸汽和空气均匀混合，缩短混合时间，形成均质混合气；
3、液体燃料蒸发器与混合系统之间的连接管道表面以及混合器表面均设有保温层，对液体燃料蒸汽进行保温，避免液体燃料蒸汽流动过程中发生降温液化现象，进而有利于燃料蒸汽和空气的混合；
4、本发明点火器采用电热丝进行点火，点火器成本低廉且使用方便，电热丝采用多孔耐高温管包裹电热丝；耐高温管上均匀开设多个气孔，混合气通过气孔与高温电热丝接触，使点火器能够高效点燃混合气；
5、电热丝的长度方向垂直于密封管的轴向，可以使供给的混合气正面与电热丝接触，使点火效果更好；电热丝为螺旋形结构，螺旋状的电热丝可以提高混合气与点火热源的接触面积，更有效的点燃混合气，且电热丝的点火温度可通过调节电热丝接线电极调节工作电阻，从而改变点火器的功率，以适应不同的点火需求；
6、点火器前设有火焰稳定器，火焰稳定器创造回流区以形成连续稳定点火源，利用回流区高温燃气的回流提供点燃新鲜可燃混合气所需能量，避免回火或脱火现象发生，保持火焰稳定；火焰稳定器前设有阻火器，防止回火引爆前端混合气，安全性系数高。
附图说明
图1为本发明预混燃烧系统的整体结构示意图；
图2为本发明混合部的整体结构示意图；
图3为本发明燃烧部的整体结构示意图；
图4为本发明液体燃料蒸发器的结构示意图；
图5为本发明点火器的结构示意图；
图6为本发明火焰稳定器的结构示意图；
图7为本发明导流风叶正向设置的结构示意图；
图8位本发明导流风叶反向设置的结构示意图；
图9为本发明导流叶片正向设置的立体结构示意图；
图10为本发明导流叶片的立体结构示意图。
图中标记：1、空气质量流量计，2、稳压箱，3、气泵，4、空气流量控制阀，5、空气加热器，6、高压氮气瓶，7、液体燃料储存罐，8、液体流量控制阀，9、液体质量流量计，10、液体燃料蒸发器，10-1、液体燃料蒸发管，10-2、加热管，11、保温层，12、混合器，12-1、中心轴，12-2、导流风叶，13、均质混合气出口，14、燃烧器，15、点火器，15-1、电热丝，15-2、耐高温管，15-3、点火开关，15-4、气孔，15-5、密封管，15-6、支架，15-7、接线电极，16、火焰稳定器，16-1、扰流气孔，17、阻火器，18、燃烧器进气口，19、排气口，20、环形连接件，21、叶片，22、温度传感器。
具体实施方式
如图所示，一种液体燃料与空气预混燃烧装置，包括用于将液体燃料与空气进行均质混合的混合部和使混合气进行充分燃烧的燃烧部，
所述的混合部包括，用于提供空气并将空气加热后输送至混合系统的空气供给系统，用于提供液体燃料并将液体燃料转化为蒸汽后输送至混合系统的液体燃料供给系统，用于将空气与液体燃料进行均质混合的混合系统；
所述的燃烧部包括燃烧器14及设置在燃烧器上的点火器15，在燃烧器14的两端分别设有燃烧器进气口18和排气口19，点火器15靠近排气口19一侧，所述的混合系统包括混合器12，混合器12为管道式密封结构，混合器12的两端分别设有进气口和均质混合气出口13，在混合器12中心沿轴向方向固定设有中心轴12-1，中心轴12-1的外表面为螺纹状，在中心轴12-1上套设多个与中心轴表面螺纹配合的导流风叶12-2，相邻两个导流风叶12-2的叶片方向相反设置；
所述点火器15包括电热丝15-1、点火开关15-3以及密封管15-5，电热丝15-1设置于密封管15-5内，点火开关15-3位于密封管15-5外且与电热丝连接，电热丝15-1的长度方向垂直于密封管15-5的轴向，所述电热丝15-1外套设耐高温管15-2，耐高温管15-2表面设有多个供气流穿过的气孔15-4，所述点火器15通过其两端设置的法兰与燃烧器14密封连接。
进一步，所述的空气供给系统包括空气质量流量计1、稳压箱2、气泵3和空气加热器5，所述空气质量流量计1通过管道与稳压箱2的进气口连接，稳压箱2的出气口通过管道与气泵3连接，气泵3通过管道与空气加热器5的进气端连接，空气加热器5的出气端与混合系统连接，在所述气泵3与空气加热器5之间的连接管道上设有空气流量控制阀4。
进一步，所述的液体燃料供给系统包括高压氮气瓶6、液体燃料储存罐7、液体流量控制阀8和液体燃料蒸发器10，所述高压氮气瓶6通过管道与液体燃料储存罐7的入口连接，液体燃料储存罐7的出口与液体燃料蒸发器10的入口连接，液体燃料蒸发器10的燃料蒸汽出口与混合系统连接，在所述液体流量控制阀8与液体燃料蒸发器10之间的连接管道上设有液体质量流量计9。
进一步，所述导流风叶12-2包括一环形连接件20及均匀设置在环形连接件外围四周的多个叶片21，所述的叶片21为具有引流作用的弧形曲面，其向一个方向弯曲，对气体具有引流作用。
进一步，所述燃烧器1内由燃烧器进气口18到点火器15方向依次设有阻火器17、火焰稳定器16，所述的火焰稳定器16通过法兰与燃烧器14连接，火焰稳定器16包括一圆盘，在该圆盘上均匀设有多个扰流气孔16-1，在圆盘的外围圆周方向均匀设置多个螺纹孔，所述扰流气孔16-1的直径为3mm。
进一步，所述的液体燃料蒸发器10包括液体燃料蒸发管10-1和加热管10-2，液体燃料蒸发管10-1均匀螺旋缠绕设置在加热管10-2外表面。
进一步，所述液体燃料蒸发器10与混合系统之间的连接管道表面以及混合器12的外表面均设有保温层11。
进一步，所述空气加热器5以及燃料蒸发器10上均设有温度传感器以监测空气及液体燃料的加热温度。
进一步，所述的导流风叶12-2的个数为4-6个，且相邻两个导流风叶12-2之间的距离为15-30cm。
进一步，所述的燃烧器14为管式燃烧器，材料为耐高温不锈钢管，且管式燃烧器的长度不小于500mm。
进一步，所述的耐高温管15-2为绝缘管。
进一步，所述阻火器17与火焰稳定器16之间设有温度传感器22。
进一步，导流风叶12-2与中心轴12-1之间的连接方式为可转动连接，导流风叶12-2的直径为混合器12的管道直径的80%-95%，旋向交错的导流风叶12-2不断改变气流方向进行搅拌，有利于空气与液体燃料蒸汽的混合，缩短混合时间，形成均质混合气。
进一步，导流风叶12-2与中心轴12-1之间的连接方式固定即导流风叶12-2不能绕中心轴12-1转动，导流风叶12-2的直径与混合器12的管道直径相等或者导流风叶12-2与混合器12过盈配合，导流风叶12-2相对位置固定，气体依次经过正反交错设置导流风叶不断改变气流方向自动进行混合，不需外界提供动力带动叶片转动即可实现均质混合。
进一步，在火焰稳定器16与点火器15之间设有透明观察窗以观察燃烧室内混合气的燃烧情况。
进一步，所述的电热丝15-1直径不小于2mm；
进一步，所述耐高温管15-2通过支架15-6与密封管15-5连接使耐高温管15-2固定于密封管15-5的中心。
进一步，所述的点火器15具有四个接线电极15-7，电热丝15-1通过接线电极15-7与点火开关15-3连接，通过调节点火开关15-3改变接线电极调节点火器15的点火能量。
进一步，所述火焰稳定器16与点火器15之间设有透明的观察窗，该观察窗由石英玻璃制成。
进一步，所述密封管15-5外壁与点火开关15-3之间的接线电极15-7外表面设置有绝缘层。
进一步，所述液体燃料蒸发管10-1为直径不大于6mm的铜管，如果直径太大，会降低汽化效果，液体燃料蒸发管10-1为铜管，导热效果好，提高液体汽化效率。
进一步，本发明的预混燃烧装置可实现均质混合气的预混燃烧，排气中过量空气系数变动误差小于1%。
本发明工作原理：在装置中所有阀门处于关闭状态时，打开空气流量控制阀4，接通气泵3和空气加热器5的电源，设置空气加热器的加热温度，空气由空气质量流量计1进入稳压箱2，经气泵3的加压以及空气流量控制阀4后进入空气加热器5，空气加热器5将空气加热后进入混合器12；
接通液体燃料供给系统的电源，开启高压氮气瓶6的阀门和液体流量控制阀8，液体燃料在氮气压力下经液体流量控制阀8流向质量流量计9，然后进入液体燃料蒸发器10，加热使液体燃料汽化，形成蒸汽进入混合器12；空气和燃料蒸汽进入混合器12后，空气和蒸汽流动过程中带动导流风叶12-2旋转，混合气经过第一个导流风叶后，气流呈顺时针方向旋转，打破空气和燃料蒸汽在混合管道中的层流运动，混合气经第二个导流风叶后气流呈逆时针方向旋转，依次经过6个导流风叶，燃料蒸汽和空气可实现均匀混合，形成均匀混合气，并通过燃烧器进气口18进入燃烧系统。
打开点火开关15-3，均质混合气经过阻火器17、火焰稳定器16到达燃烧器14中，由点火器点燃混合气；混合气流经火焰稳定器16上均布的扰流气孔16-1时，混合气在扰流气孔16-1后形成回流区，高温燃气的回流自动提供点燃新鲜可燃混合气所需的能量，从而使新鲜可燃混合气不断地被点燃；该燃烧系统还设置有阻火器17，阻火器17利用传热作用和器壁效应，防止燃烧的火焰发生回火引爆未燃混合气。

Claims (10)

1.一种液体燃料与空气预混燃烧装置，包括用于将液体燃料与空气进行均质混合的混合部和使混合气进行充分燃烧的燃烧部，
所述的混合部包括，用于提供空气并将空气加热后输送至混合系统的空气供给系统，用于提供液体燃料并将液体燃料转化为蒸汽后输送至混合系统的液体燃料供给系统，用于将空气与燃料蒸汽进行均质混合的混合系统；
所述的燃烧部包括燃烧器（14）及设置在燃烧器上的点火器（15），在燃烧器（14）的两端分别设有燃烧器进气口（18）和排气口（19），点火器（15）靠近排气口（19）一侧；其特征在于：
所述的混合系统包括混合器（12），混合器（12）为管道式密封结构，混合器（12）的两端分别设有进气口和均质混合气出口（13），在混合器（12）中心沿轴向方向固定设有中心轴（12-1），中心轴（12-1）的外表面为螺纹状，在中心轴（12-1）上套设多个导流风叶（12-2），相邻两个导流风叶（12-2）的叶片方向相反设置；
所述点火器（15）包括电热丝（15-1）、点火开关（15-3）以及密封管（15-5），电热丝（15-1）设置于密封管（15-5）内，点火开关（15-3）位于密封管（15-5）外且与电热丝（15-1）连接，电热丝（15-1）的长度方向垂直于密封管（15-5）的轴向，所述电热丝（15-1）外套设耐高温管（15-2），耐高温管（15-2）表面设有多个供气流穿过的气孔（15-4），所述点火器（15）通过其两端设置的法兰与燃烧器（14）密封连接。
2.根据权利要求1所述的一种液体燃料与空气预混燃烧装置，其特征在于：所述的空气供给系统包括空气质量流量计（1）、稳压箱（2）、气泵（3）和空气加热器（5），所述空气质量流量计（1）通过管道与稳压箱（2）的进气口连接，稳压箱（2）的出气口通过管道与气泵（3）连接，气泵（3）通过管道与空气加热器（5）的进气端连接，空气加热器（5）的出气端与混合系统连接，在所述气泵（3）与空气加热器（5）之间的连接管道上设有空气流量控制阀（4）。
3.根据权利要求1所述的一种液体燃料与空气预混燃烧装置，其特征在于：所述的液体燃料供给系统包括高压氮气瓶（6）、液体燃料储存罐（7）、液体流量控制阀（8）和液体燃料蒸发器（10），所述高压氮气瓶（6）通过管道与液体燃料储存罐（7）的入口连接，液体燃料储存罐（7）的液体出口与液体燃料蒸发器（10）的液体入口连接，液体燃料蒸发器（10）的燃料蒸汽出口与混合系统连接，在所述液体流量控制阀（8）与液体燃料蒸发器（10）之间的连接管道上设有液体质量流量计（9）。
4.根据权利要求1所述的一种液体燃料与空气预混燃烧装置，其特征在于：所述导流风叶（12-2）包括一环形连接件（20）及均匀设置在环形连接件外围四周的多个叶片（21），所述的叶片（21）为具有引流作用的弧形曲面，其向一个方向弯曲，对气体具有引流作用；所述导流风叶（12-2）直径和混合器管道直径相等。
5.根据权利要求1所述的一种液体燃料与空气预混燃烧装置，其特征在于：所述燃烧器（1）内由燃烧器进气口（18）到点火器（15）方向依次设有阻火器（17）、火焰稳定器（16），所述的火焰稳定器（16）通过法兰与燃烧器（14）连接，火焰稳定器（16）包括一圆盘，在该圆盘上均匀设有多个扰流气孔（16-1），所述扰流气孔（16-1）的直径为3mm。
6.根据权利要求3所述的一种液体燃料与空气预混燃烧装置，其特征在于：所述的液体燃料蒸发器（10）包括液体燃料蒸发管（10-1）和加热管（10-2），液体燃料蒸发管（10-1）均匀螺旋缠绕在加热管（10-2）外表面。
7.根据权利要求2或3所述的一种液体燃料与空气预混燃烧装置，其特征在于：所述液体燃料蒸发器（10）与混合系统之间的连接管道表面以及混合器（12）的外表面均设有保温层（11）。
8.根据权利要求2或3所述的一种液体燃料与空气预混燃烧装置，其特征在于：所述空气加热器（5）以及燃料蒸发器（10）上均设有温度传感器以监测空气及液体燃料的加热温度。
9.根据权利要求1所述的一种液体燃料与空气预混燃烧装置，其特征在于：所述的导流风叶（12-2）的个数为4-6个，且相邻两个导流风叶（12-2）之间的距离为15-30cm。
10.根据权利要求5所述的一种液体燃料与空气预混燃烧装置，其特征在于：所述阻火器（17）与火焰稳定器（16）之间设有温度传感器（22）以监测均质混合气的温度。
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