一種脈衝式等容氣體燃燒器驅動頭的製作方法

2023-10-28 22:55:37

本實用新型涉及一種氣體燃燒器驅動頭，更具體的說，它涉及一種脈衝式等容氣體燃燒器驅動頭。

背景技術：

在現有的天然氣燃燒器、燃燒機中所採用的燃燒方式均為等壓式燃燒。

（1）等壓擴散燃燒存在著燃料與空氣混合不完全、不均勻的痼疾，火焰包絡中存在著溫度極高的核心，燃燒不完全且Nox生成量大，即便是採用「高溫空氣燃燒技術」提高了燃燒效率，但隨著助燃空氣預熱溫度提升，在強化了燃燒反應溫度的同時，也強化了高溫型Nox的生成。形成了高效燃燒、高Nox排放的悖論。

（2）等壓預混燃燒能夠達到高效燃燒的目的，但不能降低高溫型Nox的生成，且存在著功率調節比小、易回火的痼疾。尤其是針對氣體燃料的系統，易回火特性是一種安全隱患，需要用多種性能、能耗代價予以預防，但仍不能完全杜絕。

當前最流行的「金屬絲網燃燒器」有效的解決了高效燃燒與低Nox排放的矛盾，但沒有杜絕「預混燃燒易回火」的根本方法。排放與綜合能耗間的悖論仍然存在。其中「多孔介質」（金屬絲網）對燃氣流的阻力增大，迫使系統風機功耗加大、燃料氣供應壓力增大的能耗負面特性尤為突出，且隨著燃燒器單體功率加大，電耗及綜合能耗越發突出。

技術實現要素：

針對現有技術存在的不足，本實用新型的目的在於提供一種脈衝式等容氣體燃燒器驅動頭，來解決以上這些問題。

為實現上述目的，本實用新型提供了如下技術方案：一種脈衝式等容氣體燃燒器驅動頭，其特徵在於：包括驅動頭外殼，與驅動頭外殼固定連接的驅動頭內殼，設置在驅動頭內殼上的天然氣冷卻腔體、閥驅動電機，設置在天然氣冷卻腔體內的若干條天然氣管道，穿過天然氣冷卻腔體貼合在天然氣冷卻腔體一端面上的空氣閥軸向板組件，設置在空氣閥軸向板組件上的點火器，設置在驅動頭內殼左端開口處向上凸起的空氣導流板，穿過驅動頭外殼、驅動頭內殼與所有天然氣管道相連通的天然氣總管道，以及穿過驅動頭外殼、驅動頭內殼與天然氣冷卻腔體相連通的冷卻水進口和冷卻水出口，所述驅動頭外殼與驅動頭內殼之間形成一條空氣導流通道，所述空氣導流通道出氣口處設有若干相互間隔的空氣導流孔，所述天然氣管道出口設置在天然氣冷卻腔體與空氣閥軸向板組件貼合的側面上，所述天然氣管道的出口處設有若干天然氣毛細管束噴嘴，所述空氣閥軸向板組件上設有若干與空氣導流孔、天然氣管道出口相配合的缺口和第二缺口，所述空氣閥軸向板組件與天然氣冷卻腔體、驅動頭外殼、驅動頭內殼連接處密封處理，所述閥驅動電機與空氣閥軸向板組件傳動連接，控制空氣閥軸向板組件的轉動。

優選為，空氣閥軸向板組件包括從動齒輪、連接軸和空氣閥軸向板，所述空氣閥軸向板通過連接軸與從動齒輪相連接，所述從動齒輪與閥驅動電機相連接，通過閥驅動電機帶動從動齒輪轉動，所述點火器設置在空氣閥軸向板中間位置，所述缺口與第二缺口分別設置在空氣閥軸向板上。

優選為，空氣導流板形狀為圓錐面。

優選為，天然氣管道為十二個。

優選為，天然氣管道的出口處有四百二十二個天然氣毛細管束噴嘴。

優選為，四百二十二個天然氣毛細管束噴嘴呈十三列六十八排扇形排列。

本實用新型具有下述優點：本發明與現有技術相比具有：

（1）安全：我們發明的天然氣冷卻腔體+毛細管束結構是將燃料氣通過「天然氣冷卻腔體微噴管束」組合體後進入預混段腔室，天然氣冷卻腔體中的循環水帶走管束壁面的熱量，形成燃料與預混氣間的大溫差，降低反應溫度、形成熄滅區；毛細管直逕取低於火焰猝熄值，毛細管長徑比遠大於猝熄距離，毛細管內壁產生的低溫附面層對火焰波產生滯止。以上綜合措施及結構，使本預混區上遊燃料噴嘴不具備產生回火的條件。故做到系統安全。

（2）高效：根據燃燒學理論，對於化學恰當比燃/氣混合物,Humphrey（漢佛萊）熱循環（等容燃燒）效率比Brayton（布雷頓）熱循環（等壓燃燒）效率高30%——50%。我們發明的組合結構是一種以可調時隙動作的極近似等容循環的脈衝式多孔介質燃燒器對燃氣流的驅動結構——目的是在強化多孔介質燃燒器低氮特性的基礎上，利用多孔介質的氣動阻尼性狀，形成近似於等容循環的燃燒狀態，使其燃燒效率進一步提高。同時有效利用等容燃燒的自增壓特性，提高系統的循環效率，降低輔機能耗，達到系統綜合能耗降低的目的。

（3）低氮：在本發明中，預混燃氣定容積充填後，燃料/空氣閥閉鎖後點火，使預混氣在燃燒室形成爆燃，燃氣膨脹增壓並產生極高的火焰傳播速度，極大地縮短N→O反應時間；同時，隨著燃燒室溫度的不同，所選定的不同濃度當量配給，使反應區N→O反應率極大地降低。兩項措施結合形成燃氣流（火焰）的低氮（Nox）狀態。

（4）低耗：本發明中，火焰在燃燒室爆燃後瞬間的自增壓性狀，使燃氣流克服多孔介質阻力流向下遊，而不必增加鼓風機壓力（功率）。同時，有利於燃氣與多孔介質間的熱交換，使燃燒室中的多孔介質獲得更多的熱量裕度，保證反應區溫度場的穩定性。

附圖說明

圖1是本實用新型的結構示意圖。

圖2是本實用新型軸向剖面圖。

具體實施方式

參看圖1、圖2所示，本實用新型實施例的一種脈衝式等容氣體燃燒器驅動頭，包括驅動頭外殼1，與驅動頭外殼1固定連接的驅動頭內殼2，設置在驅動頭內殼2上的天然氣冷卻腔體3、閥驅動電機4，設置在天然氣冷卻腔體3內的若干條天然氣管道，穿過天然氣冷卻腔體3貼合在天然氣冷卻腔體3一端面上的空氣閥軸向板組件，設置在空氣閥軸向板組件上的點火器17，設置在驅動頭內殼2左端開口處向上凸起的空氣導流板5，穿過驅動頭外殼1、驅動頭內殼2與所有天然氣管道相連通的天然氣總管道6，以及穿過驅動頭外殼1、驅動頭內殼2與天然氣冷卻腔體3相連通的冷卻水進口7和冷卻水出口8，所述驅動頭外殼1與驅動頭內殼2之間形成一條空氣導流通道9，所述空氣導流通道9出氣口處設有若干相互間隔的空氣導流孔10，所述天然氣管道出口設置在天然氣冷卻腔體3與空氣閥軸向板組件貼合的側面上，所述天然氣管道的出口處設有若干天然氣毛細管束噴嘴11，所述空氣閥軸向板組件上設有若干與空氣導流孔10、天然氣管道出口相配合的缺口12和第二缺口13，所述空氣閥軸向板組件與天然氣冷卻腔體3、驅動頭外殼1、驅動頭內殼2連接處密封處理，所述閥驅動電機4與空氣閥軸向板組件傳動連接，控制空氣閥軸向板組件的轉動。

對於本實施例的各個部件進行解釋說明：

1）空氣閥軸向板組件包括從動齒輪14、連接軸15和空氣閥軸向板16，所述空氣閥軸向板16通過連接軸15與從動齒輪14相連接，所述從動齒輪14與閥驅動電機4相連接，通過閥驅動電機4帶動從動齒輪14轉動，所述點火器17設置在空氣閥軸向板16中間位置，所述缺口12與第二缺口13分別設置在空氣閥軸向板16上。

2）空氣導流板5形狀為圓錐面。

3）天然氣管道為十二個。

4）天然氣管道的出口處有四百二十二個天然氣毛細管束噴嘴11。

5）四百二十二個天然氣毛細管束噴嘴11呈十三列六十八排扇形排列。

工作原理：

首先，閥驅動電機通過從動齒輪盤至閥位A,使預混區空氣導流孔打開，空氣閥軸向板上的扇形開口也對應於天然氣毛細管束噴嘴開啟狀態，機外天然氣電磁閥打開，天然氣由天然氣總管道進入天然氣冷卻腔體中的12組毛細管束並在毛細管束噴嘴處噴出；助燃風由空氣導流通道，通過預混區空氣導流孔切向進入預混區與軸向噴出的天然氣混合。

由於本預混器的圓形腔體構型，切向進入的空氣會沿徑向形成高速旋轉氣流，與軸向噴出的天然氣交匯混合，形成均勻預混氣。

又由於預混器內的預混氣徑向旋轉並不斷填充，在預混器腔體的截面上形成軸向壓力均勻的氣體界面，向下遊方向運動並充滿預混腔。

此時，預混器空氣閥步進至閥位B——空氣導流孔關閉，天然氣毛細管束噴嘴扇區被遮擋，機外天然氣電磁閥關閉。整個預混腔形成軸向下遊開口充滿預混氣的盲管，又由於腔內的徑向旋轉預混氣失去填充壓力，使其向下遊的軸向（膨脹）速度驟降，考慮到預混器下遊連接的多孔介質對預混氣的阻力，此時的預混腔內就形成了隨閥位周期往復循環的「軸向存有壓力梯度的預混氣定容體」，且該定容體在被點燃後，同時產生的熱能（爆燃）、動能（膨脹）會在固定的容積內產生具有自增壓狀態的燃氣流。

在閥傳感器確認閥位定點後，點火器工作。點火產生的燃燒波在預混段全向發散，由於其位置靠近盲管頂部，燃燒波向上遊運動，很快觸及盲端壁面並被反射形成緊隨向下遊傳播的兩道燃燒波，由於流向下遊的燃燒波遇到多孔介質時產生遲滯，則上遊反射波會對下遊燃燒波產生壓縮並耦合，其波面的壓縮、耦合中產生的皺褶會生成若干局部放熱中心，並在放熱中心產生微爆，多點的微爆使整個定容體溫度、壓力上升，繼而發展成整體爆燃（或弱爆震），此過程的火焰傳播速度遠大於緩燃波，可以說是瞬間完成。故其中的氮與氧的反應時間比緩燃波小得多，減少了其生成Nox的機率。

在一個定容體爆燃完成後，閥位轉至C位，此時預混腔狀態為：機外天然氣閥門關斷，空氣閥門17徑向開啟、但軸向板仍然遮擋扇形燃料管束噴嘴15，空氣切向進入預混腔級部分進入下遊多孔介質中，對腔體及多孔介質降溫，使其餘溫在預混燃氣自燃溫度以下，防止其非受控自燃。而該層空氣在下一個爆燃循環開始後，被推入下遊充當過剩空氣，利於提高爆燃尾焰的燃盡率。空氣閥完成A、B、C三個功能位後，在步進電機的帶動下，開始下一個A、B、C循環。空氣閥C位的設定，同時也為該燃燒驅動器雙機構建往復式（蓄熱）工作模式提供排煙通道，並同時遮擋保護天然氣毛細管束噴嘴。

本實用新型的該種循環模式特點是強調每一次受控（點火）爆燃循環的可靠性、準確性。而精確地控制其循環頻率，即可保證對其輸出功率的精確控制。反之，也是對其燃耗的精確控制——原因在於每一次的受控爆燃的預混空燃比，，都是按照對應的預混腔內溫度既定的化學當量比。本燃氣流驅動器的可調工作頻率為60Hz以下。

本實用新型只適用於高背壓的加熱系統。既實現對燃氣流具有滯止趨勢的傳熱、做功通道內燃氣流的驅動。因為只有下遊對燃氣流的（擴壓）滯止，本驅動器的預混腔才能形成類等容燃燒（爆燃）。該技術特別對應於多孔介質燃燒系統以及緊湊型換熱器工況。

以上所述僅是本實用新型的優選實施方式，本實用新型的保護範圍並不僅局限於上述實施例，凡屬於本實用新型思路下的技術方案均屬於本實用新型的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本實用新型原理前提下的若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本實用新型的保護範圍。