平面火焰燃烧装置及燃烧系统的制作方法

1.本技术涉及热能技术领域，尤其涉及平面火焰燃烧装置及燃烧系统。


背景技术：

2.激光燃烧诊断技术在现代燃烧研究中的应用十分广泛，一些激光燃烧诊断技术需要标准火焰作为标定源。标准火焰的质量在很大程度上会影响激光燃烧技术测量的误差，因此作为一个标准火焰，应具备层流、稳定、绝热、温度和物种浓度便于模拟计算等特点。平面火焰是一种比较常见的标准火焰，而最常见的平面火焰燃烧器是mckenna火焰炉，mckenna火焰炉的炉盘中央区域是稳焰区，能产生稳定的平面火焰。目前已借助mckenna火焰炉得到了许多重要的反应动力学模型数据以及光谱测量数据。发明人发现mckenna火焰炉同时也具有以下缺点：因其采用预混火焰，会有回火的危险，同时火焰稳定在出口，传导传热导致降温，但是，由于mckenna火焰炉的散热问题，炉体中加装了冷却水使得火焰温度并不接近绝热火焰温度，燃料预混也使得当量比变化范围不大，因此其作为标准火焰存在许多限制。在一些实验中采用连续反斯托克斯拉曼散射方法利用氮气光谱测得mckenna火焰炉所产生的火焰温度与绝热火焰温度有偏差。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种平面火焰燃烧装置及燃烧系统，使得在燃烧区域混合后点火燃烧后不会产生回火现象，且火焰吹脱稳定，产生温度均匀的平面火焰，且避免了吹脱火焰的热传导和热辐射损失，火焰温度可达绝热火焰温度。
4.为解决上述技术问题，本技术的第一方面提供了一种平面火焰燃烧装置，其特征在于，包括：壳体，形成有输出表面；在所述壳体内延伸设置的相互密封的多个燃料气管道、多个氧化气管道和多个保护气管道；所述多个燃料气管道、多个氧化气管道和多个保护气管道的一端供分别连通至各自的气流源；所述多个燃料气管道和多个氧化气管道的另一端为开放端，位于所述输出表面以形成平面火焰的燃烧区域；所述多个保护气管道的另一端为开放端，位于所述输出表面以形成保护气区域。
5.本技术的第二方面提供了一种平面火焰燃烧系统，包括：如上述的平面火焰燃烧装置；控制系统，用于控制燃料气、氧化气和保护气的流量；点火装置，用于点燃所述燃料气和氧化气的混合气体。
6.本技术实施方式相对于现有技术而言，本技术中平面火焰燃烧装置通过相互密封的通气管道使得燃烧气体和空气在壳体表面混合点火燃烧后不会产生回火现象，且火焰吹脱稳定，产生温度均匀的平面火焰，因火焰吹脱阻止热量传递给燃烧装置，即便干烧也不会将装置烧坏，省去了冷却系统的成本，且避免了吹脱火焰的热传导和热辐射损失，火焰温度可达绝热火焰温度。
7.在第一方面的实施例中，所述壳体内还包括：相互密封的燃料气腔室、氧化气腔室及保护气腔室；所述多个保护气管道的一端经所述燃料气腔室连通至燃料气的气流源；所
述多个保护气管道的一端经所述氧化气腔室连通至氧化气的气流源；所述多个保护气管道的一端经所述保护气腔室连通至保护气的气流源。
8.在第一方面的实施例中，所述多个燃料气管道和多个氧化气管道之间的排列令所述燃烧区域中的各个开放端之间呈现为具有多个单元结构的组合结构；其中，每个单元结构包括：第一数量的氧化气管道的开放端围绕于第二数量的燃料气管道的开放端排列的结构，其中所述第一数量至少为1个，所述第二数量至少为2个。
9.在第一方面的实施例中，每个单元结构中的各氧化气管道的开放端按正六边形排布；所述组合结构呈蜂窝状。
10.在第一方面的实施例中，每个单元结构所对应的各氧化气管道沿对应的至少一个燃料气管道的周向排列设置。
11.在第一方面的实施例中，每个燃料气管道的断面呈圆形，每个氧化气管道的断面呈正六边形。
12.在第一方面的实施例中，所述保护气区域环绕所述燃烧区域设置。
13.在第一方面的实施例中，所述燃烧区域和所述保护气区域间由冷却槽隔开。
14.在第一方面的实施例中，所述燃烧区域为正方形。
15.在第一方面的实施例中，所述壳体包括燃料气口、氧化气口和保护气口，所述三个外部气流源分别通过燃料气口、氧化气口和保护气口接收燃料气、氧化气和保护气，和/或，其中所述燃料气为甲烷，所述氧化气为空气和所述保护气为氮气。
附图说明
16.图1显示为本技术第一实施例中平面火焰燃烧装置的结构示意图；
17.图2显示为本技术第一实施例中平面火焰燃烧装置的输出表面的结构示意图；
18.图3显示为本技术第一实施例中输出表面的单元结构的结构示意图。
具体实施方式
19.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用系统，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用系统，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
20.下面以附图为参考，针对本技术的实施例进行详细说明，以便本技术所属技术领域的技术人员能够容易地实施。本技术可以以多种不同形态体现，并不限定于此处说明的实施例。
21.为了明确说明本技术，省略与说明无关的器件，对于通篇说明书中相同或类似的构成要素，赋予了相同的参照符号。
22.在通篇说明书中，当说某器件与另一器件“连接”时，这不仅包括“直接连接”的情形，也包括在其中间把其它元件置于其间而“间接连接”的情形。另外，当说某种器件“包括”某种构成要素时，只要没有特别相反的记载，则并非将其它构成要素排除在外，而是意味着可以还包括其它构成要素。
23.当说某器件在另一器件“之上”时，这可以是直接在另一器件之上，但也可以在其之间伴随着其它器件。当对照地说某器件“直接”在另一器件“之上”时，其之间不伴随其它器件。
24.虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。例如，第一接口及第二接口等描述。再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“a、b或c”或者“a、b和/或c”意味着“以下任一个：a；b；c；a和b；a和c；b和c；a、b和c”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
25.此处使用的专业术语只用于言及特定实施例，并非意在限定本技术。此处使用的单数形态，只要语句未明确表示出与之相反的意义，那么还包括复数形态。在说明书中使用的“包括”的意义是把特定特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份具体化，并非排除其它特性、区域、整数、步骤、作业、要素及/或成份的存在或附加。
26.表示“下”、“上”等相对空间的术语可以为了更容易地说明在附图中图示的一器件相对于另一器件的关系而使用。这种术语是指，不仅是在附图中所指的意义，还包括使用中的装置的其它意义或作业。例如，如果翻转附图中的装置，曾说明为在其它器件“下”的某器件则说明为在其它器件“上”。因此，所谓“下”的示例性术语，全部包括上与下方。装置可以旋转90
°
或其它角度，代表相对空间的术语也据此来解释。
27.虽然未不同地定义，但包括此处使用的技术术语及科学术语，所有术语均具有与本技术所属技术领域的技术人员一般理解的意义相同的意义。普通使用的字典中定义的术语追加解释为具有与相关技术文献和当前提示的内容相符的意义，只要未进行定义，不得过度解释为理想的或非常公式性的意义。
28.下文参照附图描述本技术的第一实施例，如图1所示，本平面火焰燃烧装置包括壳体1，壳体1内包括燃料气腔室2、氧化气腔室3和保护气腔室4，三个腔室相互密封，燃料气腔室2、氧化气腔室3和保护气腔室4分别具有燃料气口20、氧化气口30和保护气口40，燃料气口20、氧化气口30和保护气口40分别与外部的三个气流源连通，三个气流源分别为燃料气、氧化气和保护气。在一些实施例中，燃料气为甲烷，氧化气为空气，保护气为氮气，但可理解，燃料气也可以为其他可燃气体，氧化气也可以为氧气，保护气也可以为其他不易燃烧的惰性气体。燃料气、氧化气和保护气均可以由高压气瓶提供，三种气体的流量分别由流量计和计算机远程控制。例如可在燃料气口、氧化气口和保护气口装置可控制阀门，可远程控制其阀门大小。
29.壳体1形成有一个输出表面5，例如可设置在壳体1的顶部位置，但不局限于顶部位置。如图2所示，输出表面5包括两个区域，即位于中间的火焰燃烧区域51和环绕燃烧区域51的保护气区域52。如图2和图3中所示，壳体1内设有内部延伸的多个燃料气管道21、多个氧化气管道31和多个保护气管道41。其中多个燃料气管道21的一端与燃料气腔室2连通，多个氧化气管道31的一端与氧化气腔室3连通，多个燃料气管道21和多个氧化气管道31的另一
端均为开放端，位于壳体1的输出表面5，形成平面火焰的燃烧区域51。多个保护气管道41的一端与保护气腔室4连通，另一端也为开放端，位于壳体1的输出表面5，形成平面火焰的保护气区域52。需要说明的是，多个燃料气管道21、多个氧化气管道31和多个保护气管道41在一些实施例中可以直接与各自的气流源连接。在一些实施例中，为了增加可调谐半导体激光吸收光谱(tunable diode laser absorption spectroscopy，tdlas)测量吸收光程，燃烧区域51边长可设计为2英寸。在中间的燃烧区域51，燃料气管道21和氧化气管道31之间的排列另各个开放端之间呈现为具有多个单元结构的组合结构。具体地说，每个单元结构包括：第一数量的氧化气管道31的开放端围绕于第二数量的燃料气管道21的开放端排列的结构。其中第一数量至少为1个，第二数量至少为2个。在一些实施例中，如图3所示，每个燃料气管道21和六个氧化气管道31构成一个单元结构。六个氧化气管道31按正六边形排布，开放端的组合结构呈蜂窝状。壳体1内共排布若干根燃料气管道，管道外径为0.8mm，内径为0.5mm，氧化气管道31的边长为0.5mm，但可理解，上述尺寸仅为举例说明，实际也可以为其他尺寸。燃料气管道21从壳体1的输出表面5与底部的燃料气腔室2连通并与氧化气管道31隔绝，燃料气由燃料气口20进入燃料气腔室2，经燃料气管道21到达输出表面5，空气由氧化气口30进入至氧化气腔室3，经由氧化气管道31到达输出表面5，燃料气和氧化气在壳体1内相互隔绝，到达输出表面5时形成扩散火焰并进一步组合形成非预混平面火焰。平面火焰燃烧区域较小且燃烧反应迅速，空气和燃料在脱离开放端后很快反应并掺混均匀，火焰处于稳定的层流火焰状态，火焰温度均匀，最高温度可达2500k，因火焰吹脱阻止热量传递给燃烧装置，即便干烧也不会将装置烧坏，省去了冷却系统的成本，且避免了吹脱火焰的热传导和热辐射损失，火焰温度可达绝热火焰温度。
30.保护气从保护气口40进入保护气腔室4，经保护气管道41到到输出表面5后，从保护气区域52流出形成保护气流，以防止燃烧装置工作时周围气流对平面火焰产生影响，减少实验测量的误差。另外，每个单元结构对应的各氧化气管道31沿对应的燃料气管道21周向排列设置，各个氧化气管道31可沿燃料气管道21竖直延伸至氧化气腔室3，也可以如图1中所示，壳体1内部的燃料气管道21由大管道6包围，氧化气管道31仅在顶部区域竖向延伸并部分进入大管道6内，大管道6与氧化气腔室3连通，同时也与顶部的氧化气管道31连通，进入氧化气腔室3的空气进入大管道6后通过燃料气管道21间的空隙上升进入顶部的多个氧化气管道31内，采用这样的包围管结构可以节省氧化气管道31的用料成本。如图3所示，燃料气管道21的断面呈圆形，氧化气管道31的断面呈正六边形，但可理解，燃料气管道21也可以为正六边形，即燃料气管道21和氧化气管道31皆为断面边长相同的正六边形，组合结构呈蜂窝状。同样，保护气管道41的断面可以呈圆形，也可以呈正六边形。
31.圆形的炉盘结构在应用光学测量技术时存在一定劣势，当发生激光倾斜或入射位置偏差等情况时，由于圆形的固有几何特征，将导致测量出现光程差及拍摄图像的差异，从而引起测量误差，因此本技术中燃烧区域设为正方形，相应围绕的保护气区域可以内外侧皆为正方形，也可以是内侧正方形，外侧圆形。通过这样的设置可以减少因圆形特征导致的光程差及拍摄图像的差异，减少测量误差。
32.在一些实施例中，燃烧区域51和保护气区域52由冷却槽53隔开。冷却槽53位于燃烧区域51和保护气区域52之间，可以起到冷却管道和隔离带的双重作用。
33.本技术实施例的平面火焰燃烧装置，使得在燃烧区域混合后点火燃烧后不会产生
回火现象，且通过控制未然气体速度使火焰处于稳定的层流火焰状态，产生温度均匀的平面火焰，因火焰吹脱阻止热量传递给燃烧装置，即便干烧也不会将装置烧坏，省去了冷却系统的成本，且避免了吹脱火焰的热传导和热辐射损失，火焰温度可达绝热火焰温度。
34.本技术的第二实施例保护一种火焰燃烧系统，包括上述的平面火焰燃烧装置；控制系统，控制系统用于控制燃料气、氧化气和保护气的流量，使燃烧火焰达到稳定的层流火焰状态；点火装置，点火装置用于点燃所述燃料气和氧化气的混合气体。本技术的目的在于提供一种平面火焰燃烧装置，使得在燃烧区域混合后点火燃烧后不会产生回火现象，且通过控制未然气体速度使火焰处于稳定的层流火焰状态，产生温度均匀的平面火焰，因火焰吹脱阻止热量传递给燃烧装置，即便干烧也不会将装置烧坏，省去了冷却系统的成本，且避免了吹脱火焰的热传导和热辐射损失，火焰温度可达绝热火焰温度。
35.上述实施例仅例示性说明本技术的原理及其功效，而非用于限制本技术。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本技术的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本技术所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本技术的权利要求所涵盖。