湍流強度可控的燃燒系統的製作方法
2023-05-10 10:16:11 2
專利名稱：湍流強度可控的燃燒系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種湍流強度可控的燃燒系統，尤其涉及一種通過電磁感應或磁力作用來控制湍流強度的燃燒系統。
背景技術：
影響燃料經濟性及汙染物排放特性的關鍵在於燃燒過程的優化。隨著新型清潔能源的全力推廣，很多氣態燃料由於其優異的燃燒特性和低汙染的特性成為了未來的主要動力燃料，如氫氣、甲烷、乙炔、煤氣等。燃燒器(如車用發動機、工業燃氣爐、生活燃氣灶等) 的結構參數和控制參數都會直接影響氣態燃料的燃燒過程及排放特性。但是無論是結構參數的變化還是控制參數的變化都只是為了在目標環境下配合氣態燃料的自身燃燒特性而提供最優化的控制，因此氣態燃料的燃燒過程及燃燒特性成為研究的重點。而在氣態燃料的燃燒特性研究中，湍流燃燒特性又一直是從事燃燒研究的工作人員關注的焦點及難點，其中，湍流強度的控制又是湍流燃燒研究中最難以控制的一項核心參數。在對氣態燃料的湍流燃燒過程及燃燒特性的研究中，燃燒器是最常用的儀器之一，用來模擬氣態燃料的湍流燃燒狀況，對研究工作起著重要的作用。在燃燒研究工作中，傳統的燃燒器通常包括可燃氣穩壓箱箱體、以及與該可燃氣穩壓箱箱體相連接的氣態燃料輸出管，在所述可燃氣穩壓箱箱體上設置有進氣孔，通過所述進氣孔可以向可燃氣穩壓箱箱體的腔內輸送氣態燃料。在氣態燃料輸出管內存在湍流發生器(例如孔板)，當氣態燃料通過湍流發生器後，可以形成一定強度的尾跡湍流。該氣流到達氣態燃料輸出管端面後，實施點火，組織湍流燃燒。其中，根據湍流發生器和氣態燃料輸出管端面的距離的不同，通過湍流發生器在輸出管端面處所形成的湍流的強度也不同。 由此，工作人員可以通過設定湍流發生器和氣態燃料輸出管端面的距離從而在輸出管端面處形成目標湍流強度的氣流。在使用上述燃燒器對氣態燃料的湍流燃燒過程進行研究的時候，首先需要人工地將燃燒模擬器拆開，並手動地改變湍流發生器的位置，從而達到調節湍流發生器與氣態燃料輸出管端面之間距離的目的，以此實現目標湍流強度。在對多種不同目標湍流強度進行研究的時候，需要多次拆開燃燒模擬器以調節湍流發生器的位置。在湍流燃燒的研究過程中，如此重複性的操作，會給從事燃燒研究的工作人員帶來一定的不便，造成其工作效率的降低。另外，人為手工調節湍流發生器的位置無法保證在輸出管端面處形成的湍流強度具有較好的準確性，同時也無法保證實驗的可重複性。因此，亟需提出一種湍流強度可控的燃燒系統，使得工作人員無需拆開燃燒器即可對湍流強度進行準確地調節，從而簡化了氣態燃料湍流燃燒過程及特性研究中的操作， 給工作人員帶來一定的便利性。
發明內容
本發明的目的是提供一種湍流強度可控的燃燒系統，該燃燒系統可以在無需拆開燃燒器的條件下，準確地控制湍流發生器在氣態燃料輸出管內的位置，以便在氣態燃料輸出管的端面處產生預期的湍流強度。本發明提供了一種湍流強度可控的燃燒系統，包括燃燒器，該燃燒器包括可燃氣穩壓箱、氣態燃料輸出管以及設置在該氣態燃料輸出管內的可移動的湍流發生器；外部調節單元，該外部調節單元利用電磁感應或磁力作用，從所述燃燒器外部控制所述湍流發生器在所述氣態燃料輸出管內的位置，從而在氣態燃料輸出管埠處實現預期的湍流強度。與現有技術相比，本發明具有以下優點無需像傳統工藝一樣，必須拆開燃燒模擬器，才可以對湍流發生器的位置進行調節，從而有效地簡化了氣態燃料湍流燃燒過程及特性研究中的操作，大大提高了實驗效率；通過控制單元準確地控制湍流發生器在氣態燃料輸出管內的位置，從而在輸出管端面處獲得準確的預期湍流強度，對研究氣態燃料的湍流燃燒過程及特性起到了重要的作用。
通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本發明的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯圖1為根據本發明一個優選實施例的燃燒模擬器的結構剖面示意圖；圖2為根據本發明一個優選實施例的湍流強度可控的燃燒模擬系統的示意圖；以及圖3為根據本發明另一個優選實施例的湍流強度可控的燃燒模擬系統的示意圖。
具體實施例方式下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用於解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。本發明提供了一個湍流強度可控的燃燒模擬系統，該模擬系統主要包括燃燒模擬器和外部調節單元兩個部分，其中，所述燃燒模擬器用於組織湍流燃燒，在所述燃燒模擬器中安裝有湍流發生器，該湍流發生器處於輸出管內不同位置的時候可以在輸出管端面處形成不同目標強度的湍流環境，所述外部調節單元用於從所述燃燒模擬器外部對所述湍流發生器的位置進行調節，以實現在輸出管端面處形成相應的目標湍流強度。下面，首先對所述燃燒器的結構進行具體說明，請參考圖1，圖1為根據本發明一個優選實施例的燃燒模擬器的結構剖面示意圖。如圖所示，所述燃燒模擬器包括可燃氣穩壓箱箱體10以及點火電極1、氣態燃料輸出管3、蜂窩結構的湍流發生器6、單向止回閥7、 高密度氣體進氣口 9、低密度氣體進氣孔11以及滑槽12。其中，該氣態燃料輸出管3位於所述可燃氣穩壓箱箱體10的上方、且與所述可燃氣穩壓箱箱體10相連通。在本實施例中，所述可燃氣穩壓箱箱體10的形狀呈正方體，其壁厚為^mm,內腔的尺寸規格為120mmX120mmX 120mm，所述氣態燃料輸出管3的長度為 200mm，其管內徑為16mm。在其他實施例中，所述可燃氣穩壓箱箱體10以及氣態燃料輸出管 3的形狀以及尺寸也可根據實際的需要進行設計。
在所述可燃氣穩壓箱箱體10上設置有至少一個進氣孔，通過該進氣孔可以向所述可燃氣穩壓箱箱體10的內腔輸送氣態燃料，所述氣態燃料包括氧氣、氫氣、乙炔、甲烷或乙醇中的一種或其任意組合、以及其他可以燃燒的氣體。在使用中根據氣體燃料的密度選擇不同的進氣孔作為進氣通路。通常情況下，密度高於空氣密度的氣體可以選擇設置於所述可燃氣穩壓箱箱體10較為靠上的進氣孔9，而密度低於空氣密度的氣體可以選擇設置於所述可燃氣穩壓箱箱體10較為靠下的進氣孔11。在所述高密度氣體進氣孔9和低密度氣體進氣孔11處分別裝有高密度氣體進氣管路(未示出)和低密度氣體進氣管路(未示出)， 且每個進氣管路上都安裝有質量流量傳感器(未示出)和電磁進氣閥門(未示出)，其中， 所述高密度氣體進氣管路和低密度氣體進氣管路用於與高壓氣瓶連接，分別傳送高密度氣體和低密度氣體至所述可燃氣穩壓箱箱體10內，所述質量流量傳感器用於測量高密度氣體進氣管路和低密度氣體進氣管路內的質量流量，從而在可燃氣穩壓箱箱體10內實現目標氣流的形成，所述電磁進氣閥門用於控制向所述可燃氣穩壓箱箱體10內輸送高密度氣體和低密度氣體時氣流的大小。進一步地，還包括進氣閥開啟控制單元(未示出)，其與所述質量流量傳感器和電磁進氣閥門相連接，所述進氣閥開啟控制單元根據質量流量傳感器測量的數值，控制電磁進氣閥門的開啟。在所述氣態燃料輸出管3內具有用於製造湍流的湍流發生器，在本實施例中，湍流發生器為具有多個小孔、呈蜂窩結構的湍流發生器(下文稱為湍流發生器6)，其中，所述湍流發生器6的材料包括磁性材料或鐵磁性材料，或其組合，例如包括永磁合金、鐵氧體和金屬間化合物中的一種及其任意組合。本優選實例中，所述湍流發生器6的厚度為3mm 4mm，小孔的直徑範圍為Imm 2mm。在其他實施例中，湍流發生器的結構和尺寸可以根據研究需求進行設計，例如採用孔板式結構、絲網式結構等。當氣態燃料從可燃氣穩壓箱箱體 10流經所述湍流發生器6後，可以形成具有一定湍流強度的氣流。在所述氣態燃料輸出管 3的內側存在滑槽12，所述湍流發生器6可以沿該滑槽12上下滑動。本領域技術人員能夠理解，所述湍流發生器6在氣態燃料輸出管3內的位置，直接影響通過所述湍流發生器6後在氣態燃料輸出管3的端面處所產生的湍流強度的大小，即， 所述湍流發生器6與氣態燃料輸出管3端面之間距離的不同，氣態燃料輸出管3的端面處會形成不同強度的湍流。當所述湍流發生器6滑動至可以產生目標湍流的位置後，可停止在該位置的附近，以保持氣態燃料輸出管3內的湍流環境處於準穩定狀態。在所述氣態燃料輸出管3的端面可以設置有點火電極1，該點火電極1用於點燃所述氣態燃料輸出管3端面處的可燃氣體，實現湍流燃燒。需要強調的是，在其他實施案例中，可以不在氣態燃料輸出管3的端面處設置點火電極1，而是通過外部熱源來實施點火， 如火柴、打火機等。此外，在所述可燃氣穩壓箱箱體10和氣態燃料輸出管3的連接處，還可以設置有單向止回閥7，用於防止氣態燃料從所述氣態燃料輸出管3倒流回所述可燃氣穩壓箱箱體 10內，以保障實驗過程中的安全。接著，請參考圖2，圖2為根據本發明一個優選實施例的湍流強度可控的燃燒系統示意圖。如圖所示，所述燃燒系統包括燃燒器以及外部調節單元。其中，所述燃燒器為圖1 中所示的燃燒器，其結構參考上述相應說明；所述外部調節單元包括電磁感應螺線圈4、湍流狀態管理模塊18、位置傳感器2以及電流可變電路19。
其中，所述電磁感應螺線圈4纏繞在所述氣態燃料輸出管3的外壁上，所述電磁感應螺線圈4從所述氣態燃料輸出管3與所述可燃氣穩壓箱箱體10連接的位置開始纏繞，直至所述氣態燃料輸出管3的端面位置為止。優選地，為了保護所述電磁感應螺線圈4不受到外部電磁的幹擾，在所述電磁感應螺線圈4外設置有絕緣保護罩5，並通過螺栓8將該絕緣保護罩5與所述可燃氣穩壓箱箱體10進行固定。所述電流可變電路19，與所述電磁感應螺線圈4相連接，用於通過調節所述電磁感應螺線圈4內驅動電流的大小，從而在所述氣態燃料輸出管3內產生磁力，在磁力的推動下湍流發生器移動到指定的位置。驅動電流大小的變化可以通過多種控制方式來實現，例如PWM控制、電阻可變控制等。所述湍流狀態管理模塊18內置有預先標定的湍流強度-湍流發生器位置-電磁感應螺線圈中驅動電流的對應關係。根據預期的湍流強度的大小，通過標定好的湍流強度與湍流發生器位置的對應關係，確定湍流發生器在氣態燃料輸出管內的位置。然後通過標定好的湍流發生器位置與電磁感應螺線圈中驅動電流的對應關係，確定所需的驅動電流的值。所述位置傳感器2用於測量湍流發生器6的位置數據，並將該位置數據發送至湍流狀態管理模塊18。下面，以氫氣為氣態燃料形成湍流燃燒為例，對整個燃燒系統的具體工作過程進行說明。具體地，由於氫氣為單一組分的低密度氣體(即其標準狀態下的密度低於空氣密度)，所以，首先將存儲有氫氣的高壓氣瓶16通過進氣管路與低密度氣體進氣孔11相連接， 同時，關閉高密度氣體進氣孔9外的連接閥，使所述可燃氣穩壓箱箱體10無法通過所述高密度氣體進氣孔9與外界進行連通。此時，所述孔板6位於所述氣態燃料輸出管3的底部， 該位置為所述孔板6的基準位置。接著，調節所述可燃氣進入穩壓箱箱體10內的質量流量，其中，根據所述質量流量和穩壓箱箱體10的結構和尺寸以及輸出管的尺寸可以確定輸出管端面處的質量流量。 在本實施例中，假設進氣孔11處的質量流量為ml(單位為kg/s)。調節質量流量ml的具體過程如下打開用於控制高壓氣瓶16的手動進氣閥門13，並向進氣閥開啟控制單元17輸入質量流量ml。接著，所述進氣閥開啟控制單元17對電磁進氣閥門14發出閥門開啟信號， 低密度氣體進氣管路上安裝的質量流量傳感器15測量出所述低密度氣體進氣管路內的質量流量mlin，並將該質量流量mlin的數值傳送給進氣閥開啟控制單元17。所述進氣閥開啟控制單元17計算低密度氣體進氣管路內的質量流量mlin與目標質量流量ml之間的差值 Am(Am = mlin-ml)，所述進氣閥開啟控制單元17根據Am的大小，向電磁氣閥門14發出提升或降低進氣閥門的開啟度的信號，通過控制進入所述低密度氣體進氣管路中氣流的大小，對所述低密度氣體進氣管路內的壓強進行調節，直至Δπι等於零，S卩，所述低密度氣體進氣管路內的質量流量等於目標質量流量ml。在後續湍流燃燒的過程中，一旦所述質量流量傳感器15測量到低密度氣體進氣管路內的質量流量改變，則所述進氣閥開啟控制單元 17根據Am的數值對低密度氣體進氣管路內的質量流量進行調節，以保持低密度氣體進氣管路內的質量流量始終等於目標質量流量ml。在向進氣閥開啟控制單元17輸入目標質量流量ml的同時，還可以向湍流狀態管理模塊18輸入目標湍流強度，其中，所述目標湍流強度為研究中所期望在氣態燃料輸出管3的端面處產生的湍流強度。在本實施例中，假設此次需要實現的目標湍流強度為α1當所述低密度氣體進氣管路內的質量流量達到預期質量流量Hi1後，所述進氣閥開啟控制單元 17向所述湍流狀態管理模塊18發出信號，所述湍流狀態管理模塊18根據標定好的湍流強度與湍流發生器位置的對應關係，確定可以在氣態燃料輸出管3的端面處產生預期湍流強度α ！時所述湍流發生器6需要移動的距離h1;並根據標定好的湍流發生器位置與電磁感應線圈內驅動電流大小的對應關係，確定電磁感應線圈內的驅動電流的大小I115然後，通過 PWM控制在電磁感應線圈內產生所需的驅動電流I1，在所述氣態燃料輸出管3內產生磁力， 將湍流發生器6移動到預期的位置。當所述湍流發生器6的位置開始變化時，到達所述氣態燃料輸出管3埠的湍流強度也相應發生變化，所述位置傳感器2將測量到的湍流發生器6的位置h/以例如電子信號的形式發送至湍流狀態管理模塊18。假設所述湍流發生器6當前位置Ill『不等於目標位置Ii1時，湍流狀態管理模塊18將根據標定好目標位置Ill以及當前位置h/計算出湍流發生器6需要移動的位置Ah(Ah = hrh/ )，並通過標定好的湍流器位置與電磁感應線圈中驅動電流大小的對應關係確定所需驅動電流I/。然而通過PWM控制改變電磁感應線圈中驅動電流大小來改變蜂窩湍流發生器6的位置。隨著所述湍流發生器6位置的繼續改變，所述電流可變電路19則相應調節電流，如此反覆，直至所述湍流發生器6滑動至可以產生目標湍流強度^^的位置。當位置傳感器2測量到湍流發生器的位置等於目標位置後，所述湍流狀態管理模塊18計算出可以使所述湍流發生器6平衡在產生目標湍流強度α ！的位置所需驅動電流的大小，並改變驅動電流的值，從而在所述電磁感應螺線圈4內產生相應的磁力，使得所述湍流發生器6在該磁力的作用下，平衡在可以產生目標湍流強度α工的位置，從而實現穩定的目標湍流強度α」在其他實施例中，還有其他方式可以使湍流發生器6平衡在可以產生目標湍流強度α ！的位置，在此不再一一贅述。當工作人員需要在其他目標湍流強度(例如Ci2)下實現湍流燃燒的時候，先通過湍流狀態管理模塊18下達復位指令，將湍流發生器6由當前的位置Ii1移動到初始位置hQ。 然後，將目標湍流強度由上一次的Q1改為α 2，繼續重複上述調節過程，即可對所述湍流發生器6在氣態燃料輸出管3中的位置進行調節，直到所述氣態燃料輸出管3端面位置處的湍流強度達到並穩定在目標湍流強度α2。如此一來，無需像傳統工藝一樣，必須拆開燃燒模擬器，才可以對湍流發生器6的位置進行調節，而只需要預先標定氣態燃料輸出管3的端面處的湍流強度與湍流發生器6 位置的對應關係以及湍流發生器6位置與電磁感應線圈中驅動電流的對應關係，就可以通過改變驅動電流來產生電磁感應力，移動湍流發生器6在氣態燃料輸出管3內上下滑動直至到達並穩定在相應的位置，從而實現穩定的目標湍流強度。可選地，所述外部調節單元還可以通過其他的方式實現對湍流發生器6位置的調節。在其他實施例中，所述外部調節單元可以是位於氣態燃料輸出管3外部，且可以沿所述氣態燃料輸出管3上下移動的磁性移動單元25，如圖3所示。在本實施例中，當湍流發生器 6的材料為永磁合金、鐵氧體和金屬間化合物中的一種及其任意組合時，所述磁性移動單元 25為可以和湍流發生器6發生相互作用的永磁體。相應地，在所述氣態燃料輸出管3上設置有刻度。當需要實現目標湍流強度環境的時候，可以根據標定好的湍流強度與湍流發生器位置的對應關係確定產生該目標湍流強度時所述湍流發生器6位於氣態燃料輸出管3內的位置，然後根據所述氣態燃料輸出管3上面的刻度，通過手動或通過電動、機械或液壓的方式移動所述磁性移動單元25至相應位置並加以固定，由於相互作用，所述湍流發生器6 也會隨著所述磁性移動單元25移動並停止在所述磁性移動單元25被固定的位置，從而產生目標湍流強度。優選地，所述外部調節單元還可以包括位置傳感器2、湍流狀態管理模塊18以及驅動單元沈。其中，所述位置傳感器2用於測量湍流發生器6在氣態燃料輸出管3內的位置；所述湍流狀態管理模塊18根據標定好的湍流強度與湍流發生器位置的對應關係來確定產生目標湍流強度時湍流發生器6的位置；所述驅動單元沈，用於驅動所述磁性移動單元25沿所述氣態燃料輸出管3達到其預期的位置。具體地，當位置傳感器2將湍流發生器6的當前位置以例如電子信號的形式發送至湍流狀態管理模塊18，所述湍流狀態管理模塊18依據目標湍流強度判斷當前湍流發生器的位置是否達到指定位置，如果未達到指定位置，則根據標定好的湍流強度與湍流發生器位置的對應關係，將預期的湍流發生器的位置以例如電子信號的形式發送至所述驅動單元26，該驅動單元沈驅動所述磁性移動單元 25沿氣態燃料輸出管3的外部朝某一方向(方向隨機選擇)進行移動，以此帶動所述湍流發生器6沿氣態燃料輸出管3內壁的滑槽12移動。當所述湍流發生器6移動後，所述氣態燃料輸出管3端面的湍流強度會相應發生改變，所述位置傳感器2將測量到湍流發生器的位置反饋至所述湍流狀態管理模塊18，所述湍流狀態管理模塊18將收到的湍流發生器的當前位置與目標位置相比較，如果發現當前的位置與目標位置之間的差值較上一時刻變大了，則發送信號至所述驅動單元沈，使之向相反方向驅動所述磁性移動單元25 ；反之，則發送信號至所述驅動單元26，繼續驅動所述磁性移動單元25沿同一方向移動。如此反覆，直至所述湍流狀態管理模塊18檢測到所述湍流發生器的位置達到目標位置的時候，發送信號至所述驅動單元沈，使其驅動所述磁性移動單元25不再移動，從而使所述湍流發生器6 穩定在相應的位置，實現穩定的目標湍流強度。在本實施例中，燃燒器的結構，與前述實施例中的描述一致，在此不再一一贅述。對於本領域技術人員而言，顯然本發明不限於上述示範性實施例的細節，而且在不背離本發明的精神或基本特徵的情況下，能夠以其他的具體形式實現本發明。因此，無論從哪一點來看，均應將實施例看作是示範性的，而且是非限制性的，本發明的範圍由所附權利要求而不是上述說明限定，因此旨在將落在權利要求的等同要件的含義和範圍內的所有變化涵括在本發明內。不應將權利要求中的任何附圖標記視為限制所涉及的權利要求。此外，顯然「包括」 一詞不排除其他單元或步驟，單數不排除複數。系統權利要求中陳述的多個單元或裝置也可以由一個單元或裝置通過軟體或者硬體來實現。
權利要求
1.一種湍流強度可控的燃燒系統，該系統包括燃燒器，該燃燒器包括可燃氣穩壓箱、氣態燃料輸出管以及設置在該氣態燃料輸出管內的可移動的湍流發生器；外部調節單元，該外部調節單元利用電磁感應或磁力作用，從所述燃燒器外部控制所述湍流發生器在所述燃燒器內的位置，從而在氣態燃料輸出管埠處實現目標湍流強度。
2.根據權利要求1所述的燃燒系統，其中，所述湍流發生器為孔板式、蜂窩式、絲網式結構。
3.根據權利要求1所述的燃燒系統，其中，所述湍流發生器的材料包括磁性材料或鐵磁性材料的一種或其任意組合。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的燃燒系統，其中，所述外部調節單元包括 電磁感應螺線圈，該電磁感應螺線圈纏繞於所述氣態燃料輸出管的外壁上；電流可變電路，與所述電磁感應螺線圈相連接，用於通過控制所述電磁感應螺線圈內驅動電流的大小，從而在所述氣態燃料輸出管內產生磁力，所述湍流發生器在所述磁力的作用下移動；湍流狀態管理模塊，用於測量和控制湍流發生器在氣態燃料輸出管內的位置，以準確控制火焰處的湍流強度。
5.根據權利要求1至3中任一項所述的燃燒系統，其中，所述外部調節單元包括 磁性移動單元，該磁性移動單元位於所述氣態燃料輸出管外部，且可以沿上下移動，從而使所述湍流發生器跟隨所述磁性移動單元在所述氣態燃料輸出管內進行相應的移動。
6.根據權利要求5所述的燃燒模擬系統，其中，所述磁性移動單元的位置可以通過手動方式調節，或者通過電動、機械或液壓方式進行控制。
全文摘要
本發明涉及一種湍流強度可控的燃燒系統，該燃燒系統包括燃燒器和外部調節單元，其中，燃燒器，該燃燒器包括可燃氣穩壓箱、氣態燃料輸出管以及設置在該氣態燃料輸出管內的可移動的湍流發生器；外部調節單元，該外部調節單元利用電磁感應或磁力作用，從所述燃燒器外部控制所述湍流發生器在所述燃燒器內的位置，從而實現氣態燃料輸出管埠處的目標湍流強度。本發明通過從所述燃燒器外部對湍流發生器的位置進行調節，從而實現無需拆開所述燃燒器，即可形成準確的目標湍流強度，不僅有效地簡化了氣態燃料湍流燃燒過程及特性研究中的操作，而且實現了湍流強度的準確控制，對研究氣態燃料的湍流燃燒過程及特性起到了重要的作用。
文檔編號F23C5/08GK102297419SQ20111023201
公開日2011年12月28日 申請日期2011年8月12日 優先權日2011年8月12日
發明者何旭, 劉福水, 孫作宇 申請人:北京理工大學