一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置

技术领域

本发明涉及氢气微混燃烧实验技术领域，尤其涉及一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置。

背景技术

当前对氢气湍流火焰特性的研究中，燃烧设备性能受燃料与氧气混合效率以及湍流与火焰间的复杂互动显著影响。其中，氢气与空气的混合程度，对掺混燃烧效果具有直接影响。在实际的实验设计中，根据实验需求选择单层或双层火焰，并且选择多种燃料气体的掺混燃烧。同时，在实验过程中，通过测量和检测仪器对实验工况进行精确检测。针对这些因素，进行精密的实验测量研究变得极为迫切。尽管如此，在进行氢气微混火焰实验研究方面的经验仍然不足，特别是缺乏一个功能齐全、实用性广的标准燃烧实验设备。

发明内容

为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置。

本发明提出的一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置，包括：燃烧室、多个混合单元、氢气室、空气室和升降机构；

空气室底部设有第一安装开口且顶部设有第二安装开口，空气室侧壁设有空气进口，氢气室位于空气室内，氢气室底部设有氢气进气管，氢气进气管安装在所述第一安装开口处且竖直向下伸出空气室，氢气室顶部设有与所述第二安装开口对应设置的第三安装开口；

燃烧室位于空气室上方，燃烧室底部设有多个混合进气口，混合单元包括氢气喷嘴和混合管，混合管竖直安装在所述第二安装开口处且上端与所述一个混合进气口连接，氢气喷嘴安装在所述第三安装开口处且上端竖直向上伸入混合管内，在氢气喷嘴外壁和混合管内壁之间形成与空气室连通的空气通道，氢气喷嘴顶部设有氢气出气口，以在混合管内所述氢气出气口上方形成混合空间；

升降机构用于驱动氢气室升降带动氢气喷嘴升降以调节所述混合空间的容积。

优选地，氢气喷嘴与混合管同轴布置，氢气喷嘴外壁设有空气布气结构，所述空气布气结构位于所述空气通道内且其上设有多个布气孔。

优选地，所述氢气出气口位于氢气喷嘴侧壁且位于所述布气孔上方。

优选地，燃烧室顶部开口且底部设有可视窗口，所述混合进气口设置在所述可视窗口上；

和/或燃烧室采用可视化材料制成。

优选地，升降机构包括传动电机和升降螺杆，所述氢气进气管外壁设有与升降螺杆配合的外螺纹，传动电机通过驱动升降螺杆转动通过氢气进气管带动氢气室和氢气喷嘴升降。

优选地，混合管上端与所述混合进气口过盈配合且下端与第二安装开口过盈配合。

优选地，所述第三安装开口处设有喷嘴底座，氢气喷嘴通过螺纹安装在喷嘴底座上。

优选地，空气室包括上罩壳和下底座，上罩壳可拆卸安装在下底座上，且所述第一安装开口设置在下底座上。

优选地，多个混合单元的氢气喷嘴通过防松钢丝串联。

优选地，多个混合单元在燃烧室下方呈阵列分布或中心分布。

本发明中，所提出的可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置，采用可调节高度的氢气微型喷嘴，通过传动电机带动螺纹传动，控制氢气喷嘴出口高度，从而达到不同的预混合效果，可根据实际需求设计不同布局的多喷嘴燃烧实验，可以根据需要开展多种燃料气体的掺混燃烧实验，达到理想的部分效果的同时，与其他测量与检测仪器能很好地配合使用；该装置的氢气微型喷嘴由3D打印加工，几何精度高，成本合理，并且采用螺纹装卸功能，可以根据实验具体要求进行相应参数的变化，对湍流旋转燃烧的研究有巨大的帮助，为开展氢气微混湍流燃烧的实验提供一个基准燃烧器。

附图说明

图1为本发明提出的一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置的一种实施方式的结构示意图。

图2为图1中A区域的局部结构示意图。

图3为图2中C方向截面示意图。

图4为图1中B区域的局部示意图。

图5为本发明提出的一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置的另一种实施方式的结构示意图。

图6为本发明提出的一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置的一种实施方式中混合单元分布示意图。

图7为本发明提出的一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置的另一种实施方式中混合单元分布示意图。

具体实施方式

如图1所示，图1为本发明提出的一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置的一种实施方式的结构示意图，图2为图1中A区域的局部结构示意图，图3为图2中C方向截面示意图，图4为图1中B区域的局部示意图，图5为本发明提出的一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置的另一种实施方式的结构示意图，图6为本发明提出的一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置的一种实施方式中混合单元分布示意图，图7为本发明提出的一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置的另一种实施方式中混合单元分布示意图。

参照图1，本发明提出的一种可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置，包括：燃烧室1、多个混合单元、氢气室6、空气室7和升降机构；

空气室7底部设有第一安装开口且顶部设有第二安装开口，空气室7侧壁设有空气进口，氢气室6位于空气室7内，氢气室6底部设有氢气进气管13，氢气进气管13安装在所述第一安装开口处且竖直向下伸出空气室7，氢气室6顶部设有与所述第二安装开口对应设置的第三安装开口；

燃烧室1位于空气室7上方，燃烧室1底部设有多个混合进气口，混合单元包括氢气喷嘴3和混合管2，混合管2竖直安装在所述第二安装开口处且上端与所述一个混合进气口连接，氢气喷嘴3安装在所述第三安装开口处且上端竖直向上伸入混合管2内，在氢气喷嘴3外壁和混合管2内壁之间形成与空气室7连通的空气通道，氢气喷嘴3顶部设有氢气出气口，以在混合管2内所述氢气出气口上方形成混合空间；

升降机构用于驱动氢气室6升降带动氢气喷嘴3升降以调节所述混合空间的容积。

本实施例的可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置的具体工作过程中，通过空气进口向空气室内充入空气，空气经由混合管下端经过氢气喷嘴和混合管之间的空气通道向上进入混合管顶部的混合空间，氢气经由氢气进气管进入氢气室内，向上进入氢气喷嘴后从氢气喷嘴顶部的出气孔进入混合管顶部的混合空间内与空气预混，预混后的气体向上进入燃烧室内燃烧。可根据实际需求设计不同布局的多喷嘴燃烧实验，调节氢气室在空气室内的高度，从而调节混合管内氢气出口位置，从而控制预混合效果。进而可以根据需要开展多种燃料气体的掺混燃烧实验，达到理想的部分效果的同时，与其他测量与检测仪器能很好地配合使用。

在本实施例中，所提出的可调节多喷嘴氢气微混燃烧实验装置，采用可调节高度的氢气喷嘴，通过调节氢气室在空气室内的高度，调节氢气喷嘴出口高度，从而达到不同的预混合效果，可根据实际需求设计不同布局的多喷嘴燃烧实验，可以根据需要开展多种燃料气体的掺混燃烧实验，达到理想的部分效果的同时，与其他测量与检测仪器能很好地配合使用。该装置的氢气微型喷嘴由3D打印加工，几何精度高，成本合理，并且采用螺纹装卸功能，可以根据实验具体要求进行相应参数的变化，对湍流旋转燃烧的研究有巨大的帮助，为开展氢气微混湍流燃烧的实验提供一个基准燃烧器。

参照图2和3，在具体实施方式中，氢气喷嘴3与混合管2同轴布置，氢气喷嘴3外壁设有空气布气结构，所述空气布气结构位于所述空气通道内且其上设有多个布气孔。通过在空气通道内设置空气布气结构，一方面对空气通道内的空气进行整流，另一方面，布气结构支撑在氢气喷嘴和混合管之间，保证氢气喷嘴与空气通道的同轴度，进而保证实验的准确度。

在进一步具体实施方式中，所述氢气出气口位于氢气喷嘴3侧壁且位于所述布气孔上方。预混时氢气从出气口横向进入空气通道的空气中，然后随空气一起进入混合空间，提高二者预混效果。

为了便于观察燃烧过程，在燃烧室的具体设计方式中，燃烧室1顶部开口且底部设有可视窗口，所述混合进气口设置在所述可视窗口上。也可以将燃烧室1采用可视化材料制成。

在氢气室的具体升降驱动过程中，升降机构包括传动电机11和升降螺杆12，所述氢气进气管13外壁设有与升降螺杆12配合的外螺纹，传动电机11通过驱动升降螺杆12转动通过氢气进气管13带动氢气室6和氢气喷嘴3升降。无需拆卸即可调节氢气喷嘴的高度。

在混合管的具体安装方式中，混合管2上端与所述混合进气口过盈配合且下端与第二安装开口过盈配合。

参照图5，在实际实验过程中，多个混合管内氢气喷嘴的排布不同，例如金字塔型、倒金字塔型、平面型等排布方式，也对燃烧室内的燃烧效果具有一定影响。为了便于不同氢气喷嘴排布方式对燃烧结果的影响研究，本实施例的具体实施方式中，所述第三安装开口处设有喷嘴底座5，氢气喷嘴3通过螺纹安装在喷嘴底座5上。氢气喷嘴通过螺纹安装，便于根据需要更换不同长度的氢气喷嘴。

为了便于氢气喷嘴排布的调整，空气室7包括上罩壳和下底座，上罩壳可拆卸安装在下底座上，且所述第一安装开口设置在下底座上。通过将上罩壳从下底座上拆下，上罩壳、混合管和燃烧室一起上移，连接在氢气室上的氢气喷嘴暴露在外，便于不同长度氢气喷嘴的更换。

在进一步具体实施方式中，多个混合单元的氢气喷嘴3通过防松钢丝4串联，以确保不同的氢气微型喷嘴都不会松动，且能保证其喷嘴出口保持预设位置不变。

参照图6和7，在其他具体实施方式中，多个混合单元在燃烧室1下方呈阵列分布或中心分布，使得混合气体均匀进入燃烧室。

下面以具体实例详细说明本实施例的氢气微混燃烧实验装置。

请参阅图1至图4，一种可调节的可视化多喷嘴氢气微混燃烧实验装置，包括可视化燃烧室1和3个混合管2，可视化燃烧室的材质为石英管，混合管2位于可视化燃烧室下方，可视化燃烧室1与燃烧室底座19过盈配合或通过密封圈保证密封，混合管2与燃烧室底座19是过盈配合或通过密封圈保证密封；混合管2与空气室7是过盈配合或通过密封圈来保证密封；空气室第一进气管8和空气室第二进气管18通过宝塔头焊接与空气室7连接；空气室7与空气室底座17通过紧定螺栓9和密封圈10进行连接；3个混合管2的每一个容纳有一个氢气喷嘴3，每一个3D打印氢气喷嘴3与喷嘴底座5是螺纹连接，并通过O型圈20进行密封；喷嘴底座5与氢气室6是过盈配合或通过密封圈来保证密封；氢气进气管13通过宝塔头焊接与氢气室6连接；氢气进气管13与空气室底座通过防尘圈14、导向环15、斯特封密封圈16进行密封连接；氢气进气管的升降螺杆12与传动电机11相连接。

空气室7为底部直径160mm的大腔室，氢气室7为底部直径116mm的大腔室，可以保证气流在其中达到均匀流动状态，以保证进入不同混合管内气体的各项参数一致。

3D打印氢气喷嘴3的管道长为100～150mm，可以保证氢气在其中可以充分发展。

相邻的3D打印氢气喷嘴3通过防松钢丝4进行防松。

空气室第一进气管8和空气室第二进气管18进入的是固定流量空气，以确保预混合燃料满足点火和实验要求。

氢气进气管是固定流量的氢气，以确保预混合燃料满足点火和实验要求。

3D打印氢气喷嘴3加工有外部螺纹，喷嘴底座5加工有相应的内部螺纹，相应的螺纹彼此配合，最大程度的保证密封性。

相邻的3D打印氢气喷嘴3通过防松钢丝4进行防松，以确保不同的氢气喷嘴都不会松动，且能保证其喷嘴出口高度一致。各个氢气喷嘴3的高度也可以单独调节，从而获得氢气和空气在混合管2内的混合程度更多可变化的工况。

筛状排气孔的外径尺寸略小于混合管2的内径尺寸，通过筛状排气孔来保证每一根3D打印氢气喷嘴3的同轴度。

导向环15的内径尺寸略大于氢气进气管13外径尺寸，通过导向环15来保证氢气室6的同轴度，以保证每一根3D打印氢气喷嘴3的同轴度。

本发明的工作原理：

氢气从氢气进气管13进入氢气室6中，在氢气室达到均匀流动状态，均匀的进入不同的3D打印氢气喷嘴3中，通过其喷嘴喷出；空气从空气室第一进气管8和空气室第二进气管18进入空气室7中，沿途通过3D打印氢气喷嘴3的筛状排气孔，对气流进行整流，使得其变得更顺畅、均匀，随后与氢气在混合管2内进行混合，最后混合气体进入可视化燃烧室1。通过传动电机11的正反转可以带动氢气进气管的升降螺杆12，从而控制氢气进气管13的升降，使3D打印氢气喷嘴3的出口高度产生变化，氢气和空气在混合管2内的混合程度产生变化。可视化燃烧室1为一顶端开口的半密封装置，其壁面上可安装压力监测装置，其顶端可安装尾气处理装置。

本发明采用内外嵌套的结构设计，采用可调节高度的3D打印氢气喷嘴，通过传动电机带动升降螺杆，控制氢气喷嘴出口高度，从而达到不同的预混合效果，可根据实际需求设计不同布局的多喷嘴燃烧实验，可以根据需要开展多种燃料气体的掺混燃烧实验，达到理想的部分效果的同时，与其他测量与检测仪器能很好地配合使用；该装置的氢气喷嘴由3D打印加工，几何精度高，成本合理，并且采用螺纹装卸功能，可以根据实验具体要求进行相应参数的变化，对湍流旋转燃烧的研究有巨大的帮助，为开展氢气微混湍流燃烧的实验提供一个基准燃烧器。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。