一种产生曲面均匀温度场的微火焰阵列燃烧器

摘要

本发明公开了一种微火焰阵列燃烧器，包括燃料/空气混合分配腔、伴流空气腔和若干个高度不等阵列排列的微喷嘴，阵列微喷嘴出口截面形成整体上的曲面,阵列微喷嘴穿过伴流空气腔与燃料/空气混合分配腔连通，所述燃料/空气混合分配腔上设有用于燃料和空气的入口，伴流空气腔设有伴流空气进口与出口。微喷嘴与燃料/空气混合分配腔连通，从燃料/空气混合分配腔的入口通入的燃料和空气进入燃料/空气混合分配腔，在燃料/空气混合分配腔内进一步混合并形成均匀流速的流体进入微喷嘴，在微喷嘴末端燃烧后形成燃烧面。本发明通过微喷嘴陈列形成曲面，众多微火焰整体上形成曲面温度场，实现了通过火焰直接加热使曲面均匀受热的功能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种燃烧器，尤其是涉及一种产生曲面均匀温度场的微火焰阵列燃烧器。

背景技术

工业加热工艺或日常生活中常常需要加热曲表面，即受热体的外表面为非平面，如半球、 抛物面、其他曲面甚至无规则的曲面形状等。当采用燃料燃烧的单一火焰来直接加热这些曲 面时，受烧嘴或燃烧器结构限制，无法形成与加热面形状相吻合的火焰面，导致加热物体不 能均匀受热。因此，往往需要采用移动火焰以局部加热的方式或采用调节火焰长度的方式来 实现。

授权公告号为CN201678584U的专利文件公开了一种喷枪可移动的水晶玻璃加工自动烘 料机。在燃烧加热箱的侧壁上有水平长条孔，在机架上水平长条孔同侧安装有水平设置的导 轨，有一个移动架安装在导轨上，移动架与导轨之间形成滑动配合；在移动架上安装在喷火 枪，喷火枪的一端有燃气喷嘴，燃气喷嘴设置在水平长条孔内，移动架连接移动机构。这种 烘料机的加热效果虽然较以往的烘料机更好，但仍存在加热面不能同时受热的问题，使得加 热时间变长和加热能量利用率低，同时加热过程操作复杂。

而采用非火焰的其他加热方法如电磁场辐射加热，授权公告号为CN2201644Y的专利文 件公开的一种利用红外辐射作为热源来加热物体的光电管加热炉。这种加热炉是由设在炉体 中央的炉胆周围均布安装的多个由石英卤钨灯及其后侧的反射体构成的单体加热器而构成 的。每个反射体的内凹发射曲面可以是椭圆柱形、抛物柱形或椭圆、抛物复合柱形，并经过 表面处理加工。这种加热炉虽然能够实现曲面均匀受热，但加工成本较高，而且电能属于二 次能源，从总的能量转换角度来讲，能源利用效率低于燃料燃烧直接火焰加热。

为此，需要一种能通过火焰直接加热实现曲面均匀受热的燃烧器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于曲面加热的微火焰阵列燃烧器，以满足通过火焰直接加 热实现曲面均匀受热的要求。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:

一种产生曲面均匀温度场的微火焰阵列燃烧器，包括燃料/空气混合分配腔、伴流空气腔 和若干个高度不等阵列排列的微喷嘴，阵列微喷嘴出口截面形成整体上的曲面,阵列微喷嘴穿 过伴流空气腔与燃料/空气混合分配腔连通，所述燃料/空气混合分配腔上设有用于燃料和空 气的入口，伴流空气腔设有伴流空气进口与出口。

本发明的工作原理如下：

若干个微喷嘴穿过伴流空气腔，以一定的阵列排列方式安装在燃料/空气混合分配腔上。 微喷嘴与燃料/空气混合分配腔连通，从燃料/空气混合分配腔的入口通入的燃料和空气进入 燃料/空气混合分配腔，在燃料/空气混合分配腔内进一步混合并形成均匀流速的流体进入微 喷嘴，在微喷嘴末端燃烧后形成火焰面。

为了保证燃料/空气混合分配腔内燃料和空气的混合效果，燃料/空气混合分配腔内可设 有惰性轻质小球，材质为玻璃或者耐温泡沫陶瓷等。

由于微尺度效应，当微喷嘴的内径小于1毫米时，单个微喷嘴不能形成燃料/空气混合化 学当量比是1或小于1的稳定预混合火焰，因此，需要在微喷嘴四周供给适量空气以稳定火 焰。因此，设置有伴流空气腔，伴流空气腔优选是一个上下两面平行的空腔体，腔体形状可 以为圆柱体或立方体。伴流空气腔为四周进气方式，腔体的上端面为伴流空气出口板，伴流 空气出口板同时又是微喷嘴定位板，根据微喷嘴排列方式，在多孔板上阵列布置与微喷嘴管 外径大小一致的孔，伴流空气腔的下端面为不透气金属板，在金属板上开有与上端面多孔板 对应一致的阵列孔，孔内径与微喷嘴外径相配合，微喷嘴通过伴流空气腔上下端面的孔进行 定位布置。

通过气泵或者压缩气体供给，气体进入伴流空气腔内部，由于伴流空气腔的下端面是由 不透气的金属板组成，伴流空气腔内的气体会从伴流空气出口板渗透到微喷嘴处，为微喷嘴 提供均匀低速的流动空气。

为了保证伴流空气出口板具有较好的透气率，伴流空气出口板由粉末烧结多孔板构成， 可以选择高孔隙率烧结材料烧结，如金属或者陶瓷。伴流空气出口板的厚度优选为3-5毫米。

燃料/空气混合分配腔为柱状结构，腔体形状可以为圆柱体或立方体。为了保证微喷嘴安 装稳固，燃料/空气混合分配腔的上端面优选为一弹性板，弹性板上开有与伴流空气腔下端面 对应一致的小孔，孔的大小与微喷嘴保持紧密配合，利用弹性保证微喷嘴不能自由上下移动。 由于微火焰阵列燃烧器的加热面是由若干微喷嘴组成的。当安装微喷嘴时，若没有统一的定 位基准，加热曲面将难以获得预定的形状。为此，微喷嘴底部与弹性板底部平齐，使得微喷 嘴阵列底部在同一水平面上。

微火焰是由次毫米内径的喷嘴出口形成的火焰，尺度效应使得碳氢燃料微火焰具有清洁、 发热均匀和高热负荷的特点，但是单个微火焰产生的热量很少，无法满足一般工艺加热或者 生活中加热热负荷需求，因此，需要将多个微火焰阵列形成具有一定发热量和发热强度的热 源。虽然单个微喷嘴火焰燃烧稳定性不如常规尺度下的火焰，但是在高温环境下，微喷嘴火 焰非常稳定，微火焰阵列中的单个微火焰被周围其他高温火焰环绕，因此微火焰阵列整体上 具非常好的稳定性。

微火焰阵列燃烧器单个喷嘴的火焰的燃烧方式可以是组织微扩散燃烧或者部分预混燃 烧。当微喷嘴火焰的燃烧方式采用扩散燃烧时，从燃料/空气混合分配腔的入口进入燃料/空 气混合分配腔内的是纯燃料，微喷嘴火焰是扩散火焰，燃烧需要的空气由伴流空气腔供给； 当微喷嘴火焰的燃烧方式采用部分预混火焰时，从燃料/空气混合分配腔的入口进入燃料/空 气混合分配腔内的是燃料、空气的预混合流体，其配比为富燃料，燃烧所缺的空气由伴流空 气腔供给。

所述微喷嘴阵列由众多同直径不同高度的微喷嘴按规整排列形成几何形状，如矩阵、同 心圆与菱形等，微喷嘴的排列方式可以是等间距矩阵或者间接非均匀的矩阵排列，也可以是 按同心圆或同心多边型方式排列，还可以是按双曲面或者其他非规则曲面方式排列。单个微 喷嘴等由内径在0.1～1.0毫米范围内的空心管组成，管壁厚度为0.05～0.2毫米；微喷嘴出口 截面是规则斜面或者平面出口。

微火焰阵列曲面加热主要是通过设计和布置微阵列喷嘴来实现，由于阵列微微喷嘴出口 高度可以调整使得众多微喷嘴出口截面形成特定的曲面形状，众多的单个火焰面阵列形成曲 面火焰面，在整体上将形成曲面均匀温度场，最终实现曲面均匀加热的目的。

本发明通过微喷嘴陈列形成曲面，众多微火焰整体上形成曲面温度场，实现了通过火焰 直接加热使曲面均匀受热的功能。

附图说明

图1是本发明实施例中出口截面为斜面的微喷嘴的结构示意图；

图2是本发明实施例中出口截面为平面的微喷嘴的结构示意图；

图3是本发明实施例中微喷嘴呈矩阵排列的结构示意图；

图4是本发明实施例中微喷嘴呈同轴圆心排列的结构示意图；

图5是本发明实施例中伴流空气腔的结构示意图；

图6是本发明实施例中空气管的结构示意图；

图7是本发明实施例中燃料/空气混合分配腔的结构示意图；

图8是本发明实施例中微火焰阵列燃烧器的结构示意图。

附图标记说明：1-燃料/空气混合分配腔；2-伴流空气腔；3-微喷嘴；4-伴流空气出口板；5- 下固定板；6-上定位孔；7-下定位孔；8-空气管；9-弹性板；10-安装孔；11-燃料输送管； 12-空气输送管；13-惰性轻质小球；14-网格底板。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

微火焰阵列燃烧器，包括燃料/空气混合分配腔1、伴流空气腔2和若干个长度不相同的 微喷嘴3。

本实施例中，微喷嘴3由内径在0.1-1.0mm范围内的空心管组成。微喷嘴3的管壁厚度 在0.05-0.2mm范围内。微喷嘴3的长度不一，微喷嘴3长度可在十几毫米到几厘米范围内。

如图1、2所示，单个微喷嘴3出口截面可以是规则斜面或者平面出口。微喷嘴3的制备 材料可以是碳钢、不锈钢、合金、陶瓷或者碳化硅等。

如图3、4所示，微喷嘴3的排列方式，可以是矩阵排列，如正方形或者长方形矩阵；也 可以是同轴圆心排列，即每个微喷嘴3的中心分布在同轴圆心上，微喷嘴3中心间距相同； 还可以是其他几何图形截面排列。微喷嘴整体上的出口截面形状通过调整单个微喷嘴高度可 以形成凹、凸球面和抛物面，或者双曲面和其他规则曲面，甚至能布置成其他复杂非规则曲 面。

如图5所示，伴流空气腔2为一个具有上下平行面的柱状腔体，包括伴流空气出口板4 和下固定板5。伴流空气腔2的腔体形状可以是圆柱体或者立方体，腔体高度为15-30毫米。

伴流空气出口板4由粉末烧结多孔板组成。伴流空气出口板4的厚度在3-5毫米范围内。 伴流空气出口板4也可以选择高孔隙率烧结材料烧结，如金属或者陶瓷。根据微喷嘴3排列 方式，伴流空气出口板4上阵列布置有与微喷嘴3管外径大小一致的上定位孔6。

下固定板5为不透气的金属板。在下固定板5上开有与伴流空气出口板4的上定位孔规 格一致的下定位孔7。

如图6所示，伴流空气腔2的四周连通有4根空气管8。通过气泵或者压缩气体供给， 气体从空气管8进入伴流空气腔2内部，由于下固定板5是由不透气的金属板组成，伴流空 气腔2内的气体会从伴流空气出口板4渗透到微喷嘴3处，为微喷嘴3提供均匀低速的流动 空气。

如图7所示，燃料/空气混合分配腔1为一柱状腔体，腔体形状为圆柱体或立方体，腔体 大小与伴流空气腔2的大小一致。燃料/空气混合分配腔1的上端面安装有弹性板9，弹性板 9上加工有与伴流空气出口板4的上定位孔6排列一致的安装孔10。安装孔10的孔径略小于 微喷嘴3的外径。燃料/空气混合分配腔1的下部安装有呈T字型的输送管，包括燃料输送管 11和空气输送管12。

为保证进入微喷嘴3的气体成分和流速均匀，在燃料/空气混合分配腔1内还安放有网格 底板14。在网格底板14上堆放有材质为玻璃或者耐温泡沫陶瓷的惰性轻质小球13。从燃料 输送管11和空气输送管12通入的燃料和空气经惰性轻质小球13进一步混合从而形成均匀流 速平均分配给微喷嘴3。

如图8所示，若干长度不一的微喷嘴3穿过伴流空气出口板4的上定位孔6、下固定板5 的下定位孔7，以一定的排列方式安装在弹性板9的安装孔10内，直至微喷嘴3的底部与弹 性板9的底部平齐。由于微喷嘴3的长度各不相同，从而令微喷嘴3的出口截面形成整体上 的曲面。由于安装孔10的孔径略小于微喷嘴3的外径，安装孔10能与微喷嘴3保持紧密配 合，从而通过弹性板9的弹性保证微喷嘴3不能自由地上下移动。

当微喷嘴3火焰的燃烧方式采用扩散燃烧时，从输送管通入的纯燃料进入燃料/空气混合 分配腔1，经惰性轻质小球13进一步混合匀化后，进入微喷嘴3并在喷嘴口燃烧，从而在微 喷嘴3出口处形成曲面形状的火焰面。此时，微喷嘴3火焰是扩散火焰。燃烧所需的空气由 气泵供给。空气从空气管8进入伴流空气腔2内部，由于下固定板5是不透气的金属板，伴 流空气腔2内的气体会从伴流空气出口板4渗透到微喷嘴3处，为微喷嘴3提供均匀低速的 流动空气。

当微喷嘴3火焰的燃烧方式采用部分预混火焰时，从输送管进入燃料/空气混合分配腔1 内的是燃料、空气的预混合流体，其配比为富燃料。燃料、空气的预混合流体进入燃料/空气 混合分配腔1后，经惰性轻质小球13进一步混合匀化后，进入微喷嘴3并在微喷嘴3口燃烧， 从而在微喷嘴3出口处形成曲面形状的火焰面。此时，燃烧所需的空气由伴流空气腔2和预 混合流体自身供给。

本发明的应用范围，不受本说明书描述的限制。本领域的技术人员由本发明公开的内容 直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。