应用于燃气全预混燃烧室的近黑体换热技术的制作方法

本发明属于燃气燃烧换热领域，具体是应用于燃气全预混燃烧室的近黑体换热技术。

背景技术：

1、人类在原始社会开始使用火直到近代，那是在用扩散火焰，只看到橙色火焰；自从有了现代燃气具开始才有了半预混燃烧，那是大气式燃烧火焰，火焰结构由少量蓝内焰和黄橙色外焰组成；大约到了本世纪才开始应用的全预混燃烧技术，全预混火焰结构是由紫蓝内焰和浅绿外焰组成，燃烧良好时看不到黄焰，没有太多的可见光，这一点目前市面上的燃气全预混锅炉只是在点火初期才做得到，经过预热后还是烧成炉膛内通红的，充满可见光，说明了炉膛内温度足够高所致，不利于减氮。

2、人类利用火焰的热量已经有上万年历史，形成了习惯性思维，在器具换热方面都采用对流换热，即接触换热。燃气炉的换热种类繁多，例如：铸铝、铜翅片、不锈钢翅片、不锈钢盘管、火管。这些换热器都与高温燃烧产物接触换热，经常烧坏换热器、被燃烧产物堵塞。这些都没有针对全预混火焰的特性而设计，错失可以用更少材料达到同等换热能力的机会；也错失了优化烟气的机会；大家都惯性地在做燃烧前处理，即预混处理，没有重视燃烧后处理。

3、燃气燃烧理论说，我们常用的燃气如ch4、c2h6、c4h10等，燃烧热量温度分别是2043、2115、2130°c。本技术以ch4为例说明，通过燃气理论数据只能获得火温度为2043°c，并没有揭示更多火的内涵，导致设计师无法通过燃气理论设计出针对燃气全预混火焰特性的燃烧室。

技术实现思路

1、本发明针对全预混火焰的特性而设计，产生了一种燃烧室，其中的换热器非主动接触换热，接近物理黑体的热吸收效果。本发明需要结合多方面的观点以下逐个说明。

2、物理热辐射维恩位移定律说，在一定温度下，黑体的绝对温度t（开尔文k）与辐射本领最大值相对应的峰值波长l(um)的乘积为一常数，即：l*t = b，式中b＝2897（um·k）,称维恩常量。此定律指出热辐射体的温度与辐射光的波长成反比例关系，即t(k) = b/l。

3、现在看火焰：以ch4的火焰温度2043°c为例，其绝对温度为2316k，运用热辐射维恩位移定律推算出三种火焰的情况：

4、表1

5、

6、由此可见全预混火焰的特点是温度高，┄┄观点1。

7、无论是固态气态，物理中的辐射能力计算公式中都有同样的一段，就是辐射能力与辐射体温度t（k）的4次方成正比：

8、固态辐射功率：q = aσt4，式中a为面积，σ为斯忒潘-玻耳兹曼常数5.67*10-8w/(m²·k4)

9、气态辐射功率：q = aσεt4，式中ε为辐射发射率也是火焰黑度，因为本发明的换热方式吸收率高而且温差很大，这里忽略反射部分的公式项，

10、从而得出结论：根据表1的温度可得，23164 /16704 =3.7倍，全预混火焰的辐射能力高于普通火焰很多，以前的燃烧方式可以只需要接触换热即可，但全预混燃烧有必要考虑辐射换热，┄┄观点2。

11、现在计算全预混燃烧火焰的热辐射占总热量的比例，以ch4为例，燃烧化学式为：

12、ch4 + 2o2 + 7.524n2 = co2 + 2h2o + 7.524n2

13、计算1kmol ch4燃烧产物得到下表结果(假设燃料与燃烧物前后温差为2000k)：

14、表2

15、

16、因n2没有热辐射能力，具有热辐射能力的占比是35.6%，此为初始占比。

17、研究一下着火后阶段情况，首先2000℃的热气体中的热辐射气体co2、h2o（气态）以光速向外辐射热量迅速降温；而n2无热辐射能力只能通过运动缓慢到达换热器实现换热；在到达换热器前的运动过程中有部分高温n2通过传热给co2、h2o(气态)来降温；co2、h2o（气态）获得热量后又再辐射出去。综合这个动态过程热辐射能力可以进一步上升超，┄┄观点3。

18、燃烧中的一道难题┄┄减氮：氧化氮是n2长时间停留在高温火焰中的氧化反应产物，解决方法很多：分段混气燃烧、浓淡燃烧器燃烧、水冷燃烧器燃烧、烟气再循环燃烧、降低空气供应量、降低燃烧区温度、减少烟气在燃烧区停留时间、降低炉膛温度等。都有些效果，单一方法效果还不理想。

19、综合以上3个观点，3种燃烧方式，全预混燃烧所需空气量最低有利于减氮；全预混火焰温度高具有较其他火焰强的辐射能力；但火焰温度高又不利于减氮。为了减氮和降成本，本发明的换热方式是非主动接触方式吸收尽量多的热辐射，以遥操作方式让火焰尽快降温全力减氮，再用传统方式（接触对流换热方式）吸收余下的热量。可以做到：降低空气供应量、降低燃烧区温度、减小火焰高温区范围、降低炉膛温度，从而减氮。

20、理由一是全预混燃烧方式本来就是为了降低空气供应量而诞生，它的副作用是火焰温度高，对氮氧化物产生有增有减的效果；理由二是热辐射的传播速度是光速，采用对热辐射黑度高（吸收率高）的燃烧室，可以做到对全预混火焰的迅速降温、减小燃烧区范围、降低炉膛温度，如图11所示，说明了在两种炉膛中的降温曲线，在上面走的曲线是一般换热器的降温曲线；在下面走的曲线是本发明换热器的降温曲线，可见炉膛内的高温区特别小，这就是降氮的有力手段。

21、如图5，本发明的燃烧室由燃烧器10、换热器组成；而换热器又由三种类型组成，分别是：热辐射吸收式换热器2、对流显热换热器2a、对流潜热换热器2b；在热辐射吸收式换热器2的远火侧以炉壁3a作为封闭板封闭形成热辐射捕捉室3；整个燃烧室的最下方布置了烟气出口12和冷凝水排水口11。

22、如图1，是单个热辐射吸收式换热器2，由金属水管1、多片金属翅片22、炉壁3a、热辐射捕捉室3组成；所述的热辐射吸收式换热器2的远火侧以封闭板封闭形成热辐射捕捉室3，其局部放大图为图2。

23、如图2，金属翅片22中的金属水管1负责把吸收到的热量带走；每片金属翅片22的翅片厚度a为热辐射的反射面5，相对于翅片间隙b比较少；金属翅片22之间的翅片间隙b相对于翅片厚度a比较大，有利于热辐射射线4进入并吸收热辐射；热辐射的入射率 = b/(a+b)，为了保证有高的入射率，要求b/a ≥ 4；例如b：a = 9：1，于是热辐射的入射率 = 90%；当热辐射射线4进入由金属翅片22组成的阵列后，不易返回，在整个辐射吸收式换热器2中被吸收，达到高的捕捉率，故命名为近黑体换热器（物理学中黑体的吸收率为100%）。

24、说明一下吸收过程，如图3，是图2的放大图，炉膛内的气体特性与我们生活的大气很不同，充满非透热气体（co2、气态h2o）火焰产生的高温（＞2000k）热辐射射线 4初始内能比较高，在穿过金属翅片22的间隙期间，由于温差大非透热气体很容易吸收热辐射射线4的部分内能，由于散射现象产生了二次热辐射射线6，改变了辐射方向，金属翅片22获得热量，由于温差大吸收率相当高。余下的热辐射进入热辐射捕捉室3，被反射回去，继续被吸收，最终剩下低于500k部分才不易被吸收，余热留在炉膛内，再由其他换热器吸收。

25、由图5可见，热辐射吸收式换热器2与火焰保持一定的距离，没有热气流通过，与燃烧产物无主动接触，经过耐久试验后所述热辐射吸收式换热器2仍然可以新旧如初，这是传统对流换热器无法比拟的。

26、燃烧部分的说明，图5的燃烧器10采用圆筒形燃烧器，火孔布置在圆曲面上，火焰向全方向扩散，相对于平面燃烧器这种燃烧器更有利于火焰的焰后降温，从而减氮。

27、整个燃烧室的原理如图5，按一定空燃比预混好的混合燃气送进燃烧器10内，在燃烧器10外侧燃烧，形成高温全预混火焰层13，产生热辐射射线4向四周辐射。在炉膛内燃烧器10的周围装有两种类型换热器：其中一种是热辐射吸收式换热器2，利用炉壁3a形成热辐射捕捉室3，用于对高温火焰的热辐射进行超前吸收（相对于对流换热方式而言）为火焰降温提供有利条件，有利于减氮；另一种是对流显热换热器2a，负责吸收高温烟气7的热量，同时为烟气排放提供出口，吸热后形成低温烟气8（通常温度为110～250℃）。所述低温烟气8通过对流潜热换热器2b，进一步换热，形成两种产物：一是烟气进一步降温形成常温烟气9（温度低于90℃），由烟气出口12排出；二是原来气态h2o变成液态h2o，产生的冷凝水由冷凝水排水出口11排出。

28、热辐射吸收式换热器2具有一个热辐射捕捉室3，可以进一步变异为多个小的热辐射捕捉室3的组合，如图4，每两片翅片间形成一个小的热辐射捕捉室3，金属翅片22和炉壁3a做成一体化结构，构成简易热辐射吸收式换热器b2。热辐射吸收式换热器2和简易热辐射吸收式换热器b2对于吸收热辐射的效果相差不大，前者略好些，但后者成本更低。

29、本发明的燃烧室除必须构件：燃烧器10、对流显热换热器2a、对流潜热换热器2b、炉壁3a、冷凝水排水出口11、烟气出口12外，热辐射吸收式换热器可以由热辐射吸收式换热器2与简易热辐射吸收式换热器b2组合形成多种形式：

30、由3个热辐射吸收式换热器2构成，如图5；

31、由1个热辐射吸收式换热器2构成，如图6；

32、由1个热辐射吸收式换热器2与2个简易热辐射吸收式换热器b2构成，如图7；

33、由1个热辐射吸收式换热器2与1个简易热辐射吸收式换热器b2构成，如图8；

34、由3个简易热辐射吸收式换热器b2构成，如图9。