一种高原环境自适应管道换热式燃烧控制方法与流程

本发明涉及一种高原环境用的燃烧装置及方法，特别涉及一种高原环境自适应管道换热式燃烧控制方法。

背景技术：

随着国民经济发展，能源消耗逐年攀升，其中企业、机关、学校等后勤部门的能耗比重较大，燃烧是能量的来源，换热是能量的传递过程，政府对其重视程度不断加大。西藏、青海等高原高寒地区是我国重要的国防门户，高原高寒地区的燃烧及换热方式来是我们面临的重大现实问题。

普通燃烧器的燃烧无法自动适应周围环境的变化，高原环境大气压力变化大，在海拔上升时，大气压力随之降低，空气密度降低，供风量随之要增大。若海拔变化的同时需要改变燃烧器功率，普通燃烧器的单风机通道进风和普通燃烧头形式无法实现，就会造成空燃比不匹配，使燃烧功率及效率出现降低，污染排放也大幅度升高。目前在各种换热装置中，特别是在高原地区的方舱类设备中，火焰在管道中燃烧并换热是其主要热量来源方式。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的上述缺陷，提供一种高原环境自适应管道换热式燃烧控制方法，本发明运用燃烧筒的烟气自回流多孔燃烧筒结构，通过对环境大气数据实时采集、根据恒功率燃油量和实时采集的大气数据计算燃烧所需风量，并利用管道内二次进风调节风量，实现管道式换热用燃烧器在不同海拔环境下的高效低污染燃烧。

第一，将多孔燃烧筒（2）安装在管道（1）的入口处，多孔燃烧筒（2）包括导风板（5）、压火板（6）、烟气回流板（7）、燃烧筒外筒（8），所述燃烧筒外筒（8）的内部设有烟气回流板（7），燃烧筒外筒（8）的内腔安装压火板（6），在压火板（6）的外部安装导风板（5）；

第二，点火后，通过燃烧筒内采用多孔的压火板（6）调整火焰长度，压火板（6）采用多孔辐射锥板，为耐火材料制成，压火板（6）中间出风通道为一级出风通道，该一级出风通道将喷嘴喷出的油雾送出燃烧区；压火板（6）的坡侧小孔为二级出风通道，该二级出风通道用于增强空气扰动，使喷出的油雾在燃烧筒内加旋，强化油雾化及与空气掺混效果，同时使火焰在压火板内产生“贴板”的效果，从而在高原环境下保持火焰的稳定燃烧；

第三、在燃烧筒中设有导风板（5）和烟气回流板（7），顶部环侧开口的导风板（5）安装在压火板（6）的上侧，并且，导风板的开口分别与压火板（6）的缺口（6.2）相对应，并与烟气回流板（7）构成烟气回流通道，在烟气回流板的前后左右四面，每面均匀设置多个烟气回流小孔（9），烟气可通过烟气回流小孔（9）回流到燃烧筒内进行二次燃烧，增大了回流区，促进在高原环境中油雾的混合燃烧，烟气经导风板（5）和烟气回流板（7）回流到燃烧筒内，烟气的掺混降低了燃烧过程氧的浓度，且加热助燃空气，实现燃油的预气化，并提升燃烧空间温度均匀性；

第四、在高原环境中为保持最佳空燃比的油气两相在多孔燃烧筒（2）内进行混合燃烧，供风主要采用双通道进气调节技术，进风通道由燃烧筒进风和管道进气两部分组成，分别由燃烧筒进风口（4）和管道进风口（3）实现，经过对高原环境参数的分析及理论计算，得出

高原中任意海拔和功率下柴油燃烧需要的空气体积流量为：

燃烧筒进风量为

管道辅助进风量为

式中：为柴油质量流率，为过剩空气系数，w为燃烧功率，为实时空气密度，t为当前大气温度，p为当前海拔大气压力，p0为海平面处大气压力；

根据恒功率燃油量和实时采集的大气数据计算燃烧机所需风量，在功率不变，海拔高度变化时，保持主进风通道即燃烧筒进风不变，改变管道进气量；而功率和海拔高度同时变化，同时改变燃烧筒和管道的进气量，满足高原环境管道式燃烧火焰的最佳空燃配比要求。

优选的，上述压火板（6）中间风通道为一直径20mm的中心孔；在坡度侧开了60个直径为3.5mm的坡侧小孔（6.1），在压火板顶部开6个长6.5mm，各占15°宽的缺口（6.2），保证了各级风量配比及旋流强度大于0.6。

优选的，在烟气回流板（7）中前后左右四面每面均匀设置6个直径为2mm均匀分布的共24个烟气回流小孔（9）。

优选的，上述多孔燃烧筒（2）采用顶部环侧开口的形式，引射循环烟气与燃料和空气掺混，加快燃烧速度。

优选的，上述导风板（5）安装在压火板（6）的上侧，并且，导风板（5）的开口分别与压火板（6）的缺口（6.2）相对应，并与烟气回流板（7）构成烟气回流通道，在烟气回流板的前后左右四面，每面均匀设置多个烟气回流小孔（9），烟气可通过烟气回流小孔（9）回流到燃烧筒内进行二次燃烧。

上述步骤三中，通过实验及数值计算得回流比在8%~16%之间，拟合的三次曲线r-square值为0.930，与火焰长度关系如下，

（1）

式中：l为火焰长度，为烟气回流比。

本发明的有益效果是：由于高原条件导致燃油粘度增加，燃油雾化质量差，燃烧效率降低、火焰变长，污染物排放升高，本发明为适应高海拔环境，本发明运用压火板稳焰及烟气自回流多孔燃烧筒结构；可保证高原地区柴油燃烧的火焰长度不会过长，满足高原环境下在管道内的高效燃烧及对外换热；

另外，高原环境下，大气压力降低，为适应大气压力的变化，实时采集环境大气数据，根据恒功率燃油量和大气压力海拔数据，通过理论与实验得到的燃烧机输出功率、最佳燃烧状态、燃烧筒进口及管道进口供风量之间的本构关系调节进风量，并采取双通道进风，并有利于调节进风量满足高原环境下燃烧所需要的空气量，实现高原环境自适应管道式换热用的高效燃烧方法。

附图说明

附图1是本发明的结构示意图；

附图2为多孔燃烧筒的侧视图；

附图3为多孔燃烧筒的俯视图；

附图4为压火板的俯视图；

附图5为烟气回流板的结构图；

上图中：管道（1）、多孔燃烧筒（2）、管道进风口（3）、燃烧筒进风口（4）、导风板（5）、压火板（6）、烟气回流板（7）、燃烧筒外筒（8）、烟气回流小孔9，坡侧小孔（6.1）、缺口6.2。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

参照附图1，本发明提到的高原环境自适应管道换热式燃烧控制方法，其技术方案是：适用于高原环境的新型燃烧筒结构和实时海拔与功率要求调节双进风通道的进风量。

本发明采用的新型燃烧筒结构为组合多孔燃烧筒1，多孔燃烧筒1采用顶部环侧开口的形式，引射循环烟气与燃料和空气掺混，减慢燃烧速度；压火板6为多孔辐射锥板，为耐火材料，坡侧中开设有多个坡侧小孔6.1，可有效解决高原环境中火焰长度过长问题。其中坡侧小孔6.1沿着中心孔向外分布有五圈；整个压火板6的中心孔为一级出风通道，该级配风的主要作用是将喷嘴喷出的油雾送出燃烧区；压火板6的坡侧小孔6.2为二级出风通道，该级出风的主要作用是增强空气扰动，使喷出的油雾加旋，强化油雾化及与空气掺混效果，同时使火焰在压火板内产生“贴板”的效果，形成稳焰区；顶部环侧开口的导风板5与压火板6及烟气回流板（7）构成烟气回流通道，烟气经导风板5和烟气回流板7的烟气回流小孔9回流到燃烧筒内，烟气的掺混降低了燃烧过程氧的浓度，且加热助燃空气，实现燃油的预气化，并提升燃烧空间温度均匀性，从而防止局部高温区产生，故而抑制nox的生成，降低高原环境下污染物的排放，增强高原地区燃油的燃烧效果，进而增强管道对外换热效果。

本发明的供风主要采用双通道进气调节技术。进风通道由燃烧筒进风和管道进气两部分组成，分别由燃烧筒进风口（4）和管道进风口（3）实现。根据恒功率燃油量和实时采集的大气数据计算燃烧机所需风量，在功率不变只海拔高度变化时，改变管道进气量；而功率和海拔高度同时变化，需同时改变燃烧筒和管道的进气量，满足高原环境管道式燃烧火焰的最佳配比要求。

本发明提到的一种高原环境自适应管道换热式燃烧控制方法，包括以下过程：

第一，将多孔燃烧筒（2）安装在管道（1）的入口处，多孔燃烧筒（2）包括导风板（5）、压火板（6）、烟气回流板（7）、燃烧筒外筒（8），所述燃烧筒外筒（8）的内部设有烟气回流板（7），燃烧筒外筒（8）的内腔安装压火板（6），在压火板（6）的外部安装导风板（5）；

第二，点火后，通过燃烧筒内采用多孔的压火板（6）调整火焰长度，压火板（6）采用多孔辐射锥板，为耐火材料制成，压火板（6）中间出风通道为一级出风通道，该一级出风通道将喷嘴喷出的油雾送出燃烧区；压火板（6）的坡侧小孔为二级出风通道，该二级出风通道用于增强空气扰动，使喷出的油雾在燃烧筒内加旋，强化油雾化及与空气掺混效果，同时使火焰在压火板内产生“贴板”的效果，最终在高原环境下保持火焰的稳定燃烧；

第三、在燃烧筒中设有导风板（5）和烟气回流板（7），顶部环侧开口的导风板5安装在压火板（6）的上侧，并且，导风板的开口分别与压火板（6）的缺口6.2相对应，并与烟气回流板（7）构成烟气回流通道，在烟气回流板的前后左右四面，每面均匀设置多个烟气回流小孔9，烟气可通过烟气回流小孔9回流到燃烧筒内进行二次燃烧，增大了回流区，促进在高原环境中油雾的混合燃烧，烟气经导风板（5）和烟气回流板（7）回流到燃烧筒内，烟气的掺混降低了燃烧过程氧的浓度，且加热助燃空气，实现燃油的预气化，并提升燃烧空间温度均匀性；

第四、在高原环境中为保持最佳空燃比的油气两相在多孔燃烧筒（2）内进行混合燃烧，供风主要采用双通道进气调节技术，进风通道由燃烧筒进风和管道进气两部分组成，分别由燃烧筒进风口（4）和管道进风口（3）实现，经过对高原环境参数的分析及理论计算，得出

高原中任意海拔和功率下柴油燃烧需要的空气体积流量为：

燃烧筒进风量为

管道辅助进风量为

式中：为柴油质量流率，为过剩空气系数，w为燃烧功率，为实时空气密度，t为当前大气温度，p为当前海拔大气压力，p0为海平面处大气压力；

根据恒功率燃油量和实时采集的大气数据计算燃烧机所需风量，在功率不变只海拔高度变化时，保持主进风通道即燃烧筒进风不变，改变管道进气量；而功率和海拔高度同时变化，同时改变燃烧筒和管道的进气量，满足高原环境管道式燃烧火焰的最佳空燃配比要求。

上述步骤三，通过实验及数值计算得回流比在8%~16%之间，拟合的三次曲线r-square值为0.930，与火焰长度关系如下，

（1）。

参照下表：本发明压火板（6）的结构是经过配风比及烟气回流比数值计算及相关性分析：

表1实验结构数据相关性分析

注：*表示在0.05水平（单侧）上显著相关；**表示在.01水平（单侧）上显著相关

优选的，上述压火板（6）中间风通道为一直径20mm的中心孔；在坡度侧开了60个直径为3.5mm的坡侧小孔6.1，在压火板顶部开6个长6.5mm，各占15°宽的缺口6.2，保证了各级风量配比及旋流强度大于0.6。

优选的，在烟气回流板中前后左右四面每面均匀设置6个直径为2mm均匀分布的共24个烟气回流小孔（9）。

优选的，上述多孔燃烧筒（2）采用顶部环侧开口的形式，引射循环烟气与燃料和空气掺混，加快燃烧速度。

本发明提到的一种高原环境自适应管道换热式燃烧器，包括管道（1）、多孔燃烧筒（2）、管道进风口（3）、燃烧筒进风口（4），将多孔燃烧筒（2）安装在管道（1）的入口处，多孔燃烧筒（2）包括导风板（5）、压火板（6）、烟气回流板（7）和燃烧筒外筒（8），所述燃烧筒外筒（8）的内部设有烟气回流板（7），燃烧筒外筒（8）的内腔安装压火板（6），在压火板（6）的外部安装导风板（5），导风板（5）、压火板（6）和烟气回流板（7）形成烟气回流通道；所述压火板（6）采用多孔辐射锥板，压火板（6）中间出风通道为一级出风通道，该一级出风通道将喷嘴喷出的油雾送出燃烧区；压火板（6）的坡侧小孔为二级出风通道，该二级出风通道用于增强空气扰动，使喷出的油雾在燃烧筒内加旋；顶部环侧开口的导风板5安装在压火板（6）的上侧，并且，导风板的开口分别与压火板（6）的缺口6.2相对应，并与烟气回流板（7）构成烟气回流通道，在烟气回流板的前后左右四面，每面均匀设置多个烟气回流小孔9，烟气可通过烟气回流小孔9回流到燃烧筒内进行二次燃烧，增大了回流区，促进在高原环境中油雾的混合燃烧，烟气经导风板（5）和烟气回流板（7）回流到燃烧筒内，烟气的掺混降低了燃烧过程氧的浓度，且加热助燃空气，实现燃油的预气化，并提升燃烧空间温度均匀性。

另外，坡侧小孔6.1可以设置为螺旋形的结构，提高扰流效果。烟气则是通过负压的作用，经过烟气回流小孔9实现回流。

本发明针对不同环境变化的适应能力在下面进行详细介绍，以120kw燃烧功率为例进行详细说明，可适应0m~4000m以上不同海拔。

本发明中高原环境适应基础模型数据及应用：

运用bmp085大气压力传感器和tsys02d温度传感器，与单片机采用双线制进行数据传输，采集环境数据传送到控制芯片中，由内置好的本发明的理论模型及公式进行燃烧风量和功率的控制调节，使其在高原上也能达到最佳的燃烧效果。

其海拔高度计算数学模型如下：

式中：h为海拔高度、p为当前海拔大气压力。

空气密度：

式中：δ-为风机修正系数，t为当前海拔高度环境温度，p为当前海拔大气压力，p0为海平面处大气压力。

本系统的空燃比自动调节是通过调节供风量来实现的。用数学语言可以描述为下式：

式中：表示最佳空燃比所需要的供风量；ｔ表示大气温度；p表示大气压力；w表示燃烧功率。式中还给出了空气密度与大气压力、大气温度之间的关系。

1kg柴油完全燃烧的理论空气用量：

所需空气质量为

式中：为柴油质量流率。

则所需空气体积流量

式中：为柴油质量流率，w为燃烧功率，为实时空气密度，w为燃烧功率，t为当前大气温度，为过剩空气系数。

本发明中燃烧筒进风量为

本发明中管道辅助进风量为

以120kw功率为例计算，燃烧机总功率，柴油的低发热值，所以燃烧机燃油量，又因燃烧机的燃烧效率为95%，故燃烧机耗油量。

0.10mpa下空气密度取，

则需要的理论空气流量为：

取过剩空气系数为，则空气体积流量：

可计算不同环境压力下（即不同海拔高度），过剩空气系数时，本发明管道式燃烧所需空气体积流量如下表：

根据以上数据可拟合函数曲线将其输入到控制器芯片中作为标准海拔下实际所需总空气量。根据管道式燃烧风量配比，在定功率下，燃烧筒为在海平面是的额定进风量为1.0，管道进风口进风量在0m时进风量为0.2，但随海拔增高其进风量而增高，总风量满足。

普通的燃烧无法自动适应周围环境的变化。海拔上升时，大气温度与压力随之降低，空气密度降低，供风量随之要增大，普通燃烧只有燃烧筒一处供风，风量不好调节，也无法控制在高原环境下燃烧的效果。

另外，本发明燃烧器在高原应用实现实例：

以120kw额定功率为例，在0.08mpa环境压力下，即海拔2000m时，所需总空气量为181.8m³/h，燃烧器通过cpu集成控制器实时采集大气数据，预置此时燃烧器定量输出功率的风量要求为181.8m³/h，调节燃烧筒部分进风121.2m³/h，管道进风口进风量为60.6m³/h。实现海拔2000m高原下的高效燃烧换热。

实施例2，本发明与实施例1不同之处是：

当在0.07mpa压力下，即海拔高度为3075m时，所需总空气量为207.9m³/h，燃烧器通过cpu集成控制器实时采集大气数据，预置此时燃烧器定量输出功率的风量要求为207.9m³/h，调节燃烧筒部分进风121.2m³/h，管道进风口进风量为86.7m³/h。实现海拔3075m高原下的高效燃烧换热。

实施例3，本发明与实施例1或2不同之处是：

当在0.06mpa压力下，即海拔高度为4175m时，所需总空气量为242.5m³/h，燃烧器通过cpu集成控制器实时采集大气数据，预置此时燃烧器定量输出功率的风量要求为242.5m³/h，调节燃烧筒部分进风121.2m³/h，管道进风口进风量为121.3m³/h。实现海拔4175m高原下的高效燃烧换热。

实施例4，本发明与实施例1-3不同之处是：

若海拔和所需功率同时改变，则通过大气压检测器采集环境数据，同时调节燃烧筒进风量和管道进风口进风量。假若海拔由2000m变为3075m，同时所需功率由120kw降为60kw。此时风量调节需同步调节燃烧筒部分进风和管道进风口进风量。预置此时燃烧器定量输出功率的风量要求为103.9m³/h，调节燃烧筒部分进风60.6m³/h，管道进风口进风量为43.3m³/h。实现海拔3075m高原下60kw功率的高效燃烧换热；

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。