[發明專利]利用火焰輻射預熱助燃空氣的預熱體及具有其的熱能設備

在審

• 申請號: 201710541372.9
• 申請日: 2017-07-05
• 公開（公告）號: CN107314394A
• 公開（公告）日: 2017-11-03
• 發明（設計）人: 黃海濤
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: F23L15/00
• 分類號: F23L15/00;F24C3/00;F24C15/24
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所44329
• 代理人: 楊曉松

技術領域

本發明涉及燃燒設備及部件，更具體地涉及利用火焰輻射預熱助燃空氣的預熱體及具有其的熱能設備。

背景技術

在一百萬年前的史前遺址中找到原始人類用火痕跡的案例在考古學研究中有所報道，例如考古勘探曾在史前原始人遺址的洞穴內發現厚達5厘米的灰燼堆，其周圍有木炭屑。據推測原始人類是從雷電引起的森林大火取得火種，然后逐漸掌握了人工生火的方法。擁有火后才能烹飪食物，原始人才能吃到熟食，促進人體大腦的發育和生產生活體制的進化。熟食還顯著擴大了食物的來源和種類。火提供的熱量還幫助人們取暖越冬，拓展了在高緯度地區的活動范圍。

在公元前數萬年至數千年的陶器時代，人類曾大規模生產陶器作為生活用具，燒制陶器時火的使用是必需的。在公元前數千年至公元初年的青銅器時代及隨后的鐵器時代，人類用金屬冶煉術來制作各種生產生活用具和冷兵器(如刀和劍)，冶煉金屬時火的使用是不可或缺的。在始于公元十八世紀的工業革命中，大規模開采礦物燃料用于燃燒以及各種熱能動力機械的發明起到了關鍵性的推動作用。

可以講，學會生火、用火并不斷拓展火的應用范圍為原本茹毛飲血的原始人類與其它動物區別開來逐漸進化為擁有燦爛文明的近代人類的最重要因素之一。在人類漫長的進化和文明發展史的每一階段中，火及其熱能應用技術都起到了極其重要的作用。

進入二十一世紀，人類擁有相當發達的科技。但是，當前人們的日常生活和生產活動仍然離不開火的使用。每時每刻全世界有不計其數的發電廠和鍋爐依靠使用大中型燃燒器燃燒煤炭或燃油提供熱能；各種交通工具如機動車、船舶、飛機依靠燃油發動機提供動力。冶金、化工、電子、機械等工業部門普遍使用以燃氣、燃油或燃煤為燃料的各種爐窯和工業爐。機械工業金屬焊接和切割、玻璃制造業、食物和農副產品的干燥和加工、實驗室化學反應和高溫焙燒、醫療和生物器械滅菌消毒等高溫加熱操作常使用中小型燃燒器如火爐、火炬、本生燈、酒精燈、酒精噴打、煤油噴燈提供熱能。在人們的日常生活中，每個人每天需用火若干次。例如，用燃氣灶烹飪食物，用燃氣熱水器加熱生活用水。還有眾多煙民每人每天用火點燃數支至數十支香煙。所以說，現代人類的生活與古代人類的生活一樣離不開火的使用。

圖1表示人們用火加熱物體的基本方式。燃燒器位于下方，擬加熱的物體位于燃燒器火焰的上方。圖1中的燃燒器可以是任何類型的產生火焰的器具(如打火機、酒精燈、酒精噴打、煤油噴打、本生燈、火爐、火炬、灶具、工業燃氣或燃油燃燒器等等)，擬加熱的物體可以是任何種類的物體(如香煙、試管、燒杯、燒瓶、坩堝、平底鍋、圓底鍋、物料、食物、產品、零件、工件、器械、換熱器排管或盤管等等)。

圖1所示火焰旁邊的虛線箭頭表示火焰向周圍發出熱輻射。例如：當我們打著打火機火焰，然后從左、右、前、后、上、下各個方向觀察火焰時，我們從各個方向都可以看到火焰發光。事實上，火焰是在整個火焰體積內向空間的所有方向同時發出熱輻射。就是說，火焰及熱煙氣的輻射為體積輻射。顯而易見的是，由于圖1中擬加熱的物體位于火焰的上方，僅有小部分的火焰輻射是射向擬加熱的物體，其余大部分的火焰輻射是射向周圍空間而沒有被有效利用(稱為“火焰輻射熱損失”)。舉例來說，在實驗室用酒精燈火焰加熱一個置于酒精燈上方的燒瓶時，僅有大約30％的火焰輻射到達燒瓶，其余70％的火焰輻射向周圍散發而被浪費掉了。

圖1中被加熱的物體兩側的粗實線箭頭表示火焰產生的熱煙氣流經所加熱的物體，然后向上排走。熱煙氣流經物體時主要以對流傳熱的方式將熱量傳遞給物體。但是，熱煙氣與物體的接觸面積不大且接觸時間短暫，熱煙氣含有的熱量中僅有一部分能夠傳遞給物體，向上排走的熱煙氣仍具有相當高的溫度。熱煙氣排放攜帶走的那部分熱量稱為“排煙熱損失”。

圖1中火焰體積周圍是被外界的冷空氣所包圍，火焰與周圍冷空氣之間會發生質量、動量和熱量的交換。一方面，周圍冷空氣提供了火焰完全燃燒所需的氧氣。另一方面，火焰周圍冷空氣的流動可帶走火焰的熱量。換句話說，周圍空氣對火焰具有冷卻作用。周圍空氣的流速越大，則被其帶走的熱量越多，其對火焰的冷卻作用越大。大風甚至能夠熄滅火焰。另外，流入燃燒區的常溫助燃空氣需要耗費火焰熱量加熱達到較高的的溫度后才能與燃料發生燃燒反應?？諝?包括環境空氣、自然通風或強制通風的助燃空氣及過量空氣)對火焰的冷卻作用所引起的熱損失稱為“空氣冷卻熱損失”。