以稳态燃烧器为动力的热烟雾机结构设计

2020-08-14

林业机械与木工设备 2020年8期

(1.南通市广益机电有限责任公司，江苏南通 226000；2.南京林业大学机械电子工程学院，江苏南京 210037)

采用热烟雾载药防治技术对高大林木病虫害进行防治是最有效的防治方法之一[1-2]。热烟雾载药防治技术主要应用于脉冲烟雾机上，即以脉冲发动机为热动力的背负或手提式脉冲烟雾机，其防治效率是同类常规喷雾防治设备的10倍以上[3]，在林业病虫害防治工作中发挥了巨大的作用。但因采用人工手提或背负的形式，装满农药后的整机重量超过20 kg，操作者劳动强度较大。为响应我国农林装备向机械化与自动化方向发展需求，人工便携式脉冲烟雾机应向车载式方向发展，需研制适合车载的大型烟雾机。

热烟雾机热力雾化农药的基本原理是利用热动力源工作过程中排出的燃烧废气热能和动能将油溶剂农药进行热力雾化成均匀细小的油雾滴，在空气中形成可视的烟雾，因烟雾雾滴粒径一般小于20μm，非常轻小，从喷雾机喷口喷出后可在空气中升腾、扩散、弥漫，直至渗透包裹至整个树冠，达到全面防治高大林木病虫害的目的[4]。热烟雾机使用的农药称为油溶剂农药，也称热雾剂，一般是将菊脂类的农药原液稀释溶剂油(通过采用0#柴油)中混合而成，因此由热烟雾机喷出的可视烟雾，是一组细小油雾滴群，有效农药就溶解在细小油雾滴中，因此将这种农药喷洒技术称为热烟雾载药防治技术。

热烟雾机的热动力源除了以上所述的脉冲发动机，国外早期也采用过小型二冲程或四冲程的活塞式发动机，因活塞式发动机的热力雾化效率较低，早就弃之不用。如将脉冲烟雾机向车载式大型化热烟雾机方向发展，则存在噪声高、机型偏大等问题。因此本文提出采用以稳态燃烧器为热动力，研制大型车载烟雾机，称为稳态燃烧烟雾机。

国外稳态燃烧烟雾机以美国CURTIS和TIFA两家公司为主进行生产，但将稳态燃烧器应用于烟雾载药技术相关的研究鲜有报道。国内对脉冲烟雾机及脉冲发动机的相关研究较多[5-6]，而对稳态燃烧烟雾机的研究自2005年国家林业局“948”项目开始，由南京林业大学与南通市广益机电有限责任公司合作攻关，进行关键技术引进、消化、再设计及相关研究，进行稳态燃烧器燃烧室的结构设计及燃烧室-喷管的温度和速度模拟研究[7-8]以及药液雾化研究[9]。稳态燃烧烟雾机的最关键部件为稳态燃烧器与喷管，稳态燃烧器是稳态燃烧烟雾机的热动力发生装置，喷管是农药热力雾化关键部位，这两者组合在一起直接影响烟雾机的工作性能及烟化效果。

1 稳态燃烧烟雾机的工作要求

稳态燃烧烟雾机结构示意图如图1所示。稳态燃烧烟雾机主要由稳态燃烧器、喷管、供药系统等构成，其工作原理如下：以稳态燃烧器为热动力源，空气由风机供给，燃油由油箱供给，二者一起进入稳态燃烧器的燃烧室内形成可燃混合气，点火燃烧后产生的热气流从稳态燃烧器排气口排出进入喷管，位于喷管上的药喷嘴将药箱内的油溶剂农药喷入喷管内，利用喷管内流动热气流的热能和动能将农药进行热力破碎、裂化、蒸发，形成非常细小的油雾滴，最后从喷管出口排入空气中冷凝成可视的烟雾。

图1 稳态燃烧烟雾机结构示意图1.稳态燃烧器；2.风机；3.入风口；4.燃烧室；5.燃烧器排气口；6.喷管；7.药箱；8.药喷嘴；9.喷管出口；10.油箱

油溶剂农药从药喷嘴喷入喷管内，要利用喷管内热气流的高温热能和高速动能，且药液流量与热气流的能量两者需满足一定的匹配关系才能使农药完全热力雾化，即在喷管喷口处不应发生滴液或流液现象，又不能使农药因热气流温度过高，或者到达药喷嘴处的热气流中还存在燃烧的火焰，使油溶剂农药加入到燃烧的火焰团中产生燃烧，从而使农药产生分解失去药性。因此，稳态燃烧烟雾机整机设计时，应主要考虑稳态燃烧器燃烧室与喷管的结构设计、风力的合理分配与入风口的位置确定、药喷嘴的热力雾化温度控制等方面。

2 稳态燃烧器结构方案设计

美国CURTIS公司的Dyna-Fog烟雾机稳态燃烧器结构形式如图2所示。从进气口进入的新鲜空气与喷油嘴喷出的油雾相混合，由点火器点燃混合的可燃混合气，但因点火附近的区域较小，可燃混合气在该区域内无法获得有效混合，也无法在该区域实现完全燃烧，因此在燃烧室内横向设置了多个气流通道隔板，使气流不断绕道行走，不仅增加了气道的紊流程度从而增强了油气混合效果，而且延长气道长度给予了火焰充分燃烧的时间，从而使可燃混合气在燃烧室内获得充分燃烧。但这种结构存在气流通道阻力较大，燃烧线路较长，在同样的结构尺寸下从排气口排出的气流流量与流速均较低。

图2 美国Dyna-Fog烟雾机稳态燃烧器结构1.进气口；2.油喷嘴；3.点火器；4.燃烧室；5.气道边路隔板；6.气道中心隔板；7.排气口

结合考虑轻油燃烧器燃油锅炉[10-11]与航空涡轮发动机燃烧室[12]的结构，对稳态燃烧烟雾机的稳态燃烧器进行创新设计。轻油燃烧器结构中，在油喷嘴附近点火区域，为避免此处风速过大不易点火燃烧，通过安装稳焰器将风量进行合理配置，使点火区域进入少量的低速空气与油喷嘴喷出的油雾充分混合并开始燃烧，同时外围进入的空气不断补充至燃烧区进行进一步混合燃烧；航空涡轮发动机燃烧室结构中，采用内外两层壁面，在内层壁面上开有许多进风口，将进入燃烧室的空气分流成两部分，一部分直接进入内层壁面内，与喷油嘴喷出的油雾相混合，直接参与一次点火燃烧，另一部分则从内外层壁面间的流道流入，并由内层壁面上的进气口进入至内燃烧室中心区域与未燃尽的燃料混合进一步燃烧，新鲜空气不断获得补充，燃料很容易得到完全燃烧。

综合这几种燃烧器的结构型式，创新设计了适用于稳态燃烧烟雾机的稳态燃烧器结构[13-15]，如图3 所示。将入风口设置在燃烧室较后部的外壁侧面，同时燃烧室采用内外两层壁面结构形式，燃烧室内壁上开有许多狭长不同进气方向的二次入风口，这样不仅控制了点火器附近区域的空气流量与流速，使一开始形成稳定较小区域的燃烧火焰，同时通过多点多方向二次入风口进入的新鲜空气不断补充到燃烧区，可增加空气与燃烧区气流相混合的紊流性，使可燃混合物尽快获得充分燃烧；另外，将入风口设置在后部，使新鲜冷空气从燃烧室后部逐步流向前部到达点火区域时，在向前流动过程中不断得到具有较高温度燃烧室内壁的加热，使进入到点火区的空气温度及通过二次入风口进入到燃烧区的空气温度均得到不同程度的提升，有利于提高可燃混合气的燃烧速度和燃烧效率。

图3 稳态燃烧器结构1.油喷嘴；2.稳焰器；3.点火器；4.燃烧火焰；5.燃烧室外壁；6.燃烧室内壁；7.燃烧室二次入风口；8.入风口；9.排气口；10.喷管冷却风出口

3 燃烧室结构方案改进设计

图3所示的稳态燃烧器为本公司一代产品，但在实际使用过程中还存在如下问题：①从入风口进入的空气还需分流一小部分为喷管外壁进行冷却，这相当于增加了一个泄压口，为自动分配绝大部分风量顺利进入燃烧室燃烧区域增加了难度；②入风口置于燃烧室后部上侧面，使得上下部分进入燃烧室的空气流量不相等，引起燃烧火焰不稳定。

为解决这些问题，对稳态燃烧器的结构做了优化改进，形成了二代产品稳态燃烧器，二代结构如图4所示。

图4 稳态燃烧器二代结构1.进风口；2.燃烧室；3.点火器；4.油喷嘴；5.稳焰器；6.喷管

改进后的稳态燃烧器仍采用双层内外壁面燃烧室结构型式，取消内壁面设置二次入风口结构，内外壁面间空气流道采用螺旋叶片进行强制导流进风方式，使进入燃烧室内燃烧区域的空气流量获得有效的配置；同时将稳焰器也进行了合理改进，由稳焰器底部窄小空间进气方式改为在点火区域附近开设许多小进气孔，既保证点火区域不断获得一定量的新鲜空气与喷油嘴喷出的油雾形成较浓的可燃混合气，又不会使进入点火区域的气流流速过高，造成点火困难，从而能较好地起到稳定刚刚点火形成的微弱火焰区，同时大量的空气流从稳焰器外围迅速补充进入，使微弱的火焰迅速燃烧扩散传播至整个燃烧室。

4 喷管及冷却管结构设计

稳态燃烧烟雾机是以稳态燃烧器燃烧工作后产生的高温高速热气流流过喷管，利用喷管内气流的高温热能与高速动能将进入喷管内的油溶剂农药进行热力烟化成小于20 μm的油雾滴，从喷管出口喷出后冷凝成可视的烟雾。因此，喷管的结构设计非常关键。

稳态燃烧烟雾机工作原理如图5所示，将喷管设计成双层结构型式，可燃混合气在稳态燃烧器内燃烧，因稳态燃烧器内层壁面筒直径较大形成较大空间的燃烧室，燃烧室内燃烧时使热气流迅速膨胀，气压增大，且只能从燃烧器出口流出经由直径较小的喷管，因此喷管内气流速度较高，可高达60～80 m/s，这为从喷管上药喷嘴流入到喷管内的农药进行雾化提供有效的动能；同时气流温度高达700 ℃左右，这又为农药雾化提供了足够的热能。稳态燃烧烟雾机工作时，喷管一直处于700 ℃左右高温环境中，在如此高的工作温度下，很容易将喷管壁面烧穿，因此需对喷管进行适当冷却。采用双层喷管结构，并将供给稳态燃烧器燃烧用的空气分流一小部分，从冷却气流出口通道流出，流进喷管与冷却管构成的双层夹层空隙中，不断对喷管进行冷却，同时因空气流量较小，对喷管内气流温度的下降影响非常小。

另外，稳态燃烧器采用双层壁面结构，不仅将进入燃烧室的空气由燃烧室内层壁面不断加热有效提高燃烧速度，同时也可适当降低燃烧室内层壁面温度，避免高温烧蚀烧穿，从而达到提高稳态燃烧器使用寿命的目的。

药喷嘴设置在喷管中间段位置，药喷嘴距燃烧器出口过近易导致燃烧室的高温火焰或余火点燃油溶剂农药，使农药失去药效。进入喷管内的农药需利用气流的高温热能与高速动能将农药进行热力雾化成细小的油雾滴，因此也称喷管上从药喷嘴至喷管出口段为雾化管，如果雾化管过短，药液无法充分利用喷管内热气流的热能与动能，使药液无法全面雾化，在喷管出口或冷却管出口易出现滴液或流液雾化不良现象。

图5 稳态燃烧烟雾机工作原理1.电机；2.风机；3.稳态燃烧器；4.点火器；5.燃油器；6.油泵；7.喷油嘴；8.稳焰器；9.螺旋器；10.燃烧器出口；11.喷管；12.冷却管；13.冷却管出口；14.喷管出口；15.药喷嘴；16.电磁阀；17.药泵；18.药箱；19.温度计；20.温度显示器；21.冷却气流出口通道；22.主入风口

5 药液供给系统与安全操作控制

药液供给系统由药箱、药泵、电磁阀及药喷嘴组成。稳态燃烧器工作过程中喷管内气流的热能与动能若达不到药液热力雾化的条件会出现药液雾化不良问题，出现雾化不良的滴液或流液不仅造成农药浪费，同时因热烟雾机所使用的农药为油溶剂农药，溶剂油一般为柴油，当农药与高温的喷管壁面相接触，尤其在出口位置处存在大量的新鲜外界空气，很容易出现着火等不安全事故。因此，在药喷管前端需设置一温度传感器，并将达到热力雾化条件的温度用于反馈控制药液供给系统的电磁阀，即温度达不到要求时，即使操作电磁阀也无法使其连通打开药开关。施药结束时不能先关闭稳态燃烧器后关闭电磁阀药开关，这是因为此时喷管内已没有热气流，将导致喷管内出现残余不能雾化的农药，存在不安全隐患，因此必须采用自动控制系统进行自锁约束，即只能先关闭药开关后关闭稳态燃烧器。

6 稳态燃烧烟雾机田间防治效果

稳态燃烧器于2009年研制成功后，形成6HYW-180与6HYW-400两个主要型号产品，在全国各地进行了推广应用。6HYW-180产品及防治现场如图6所示，经测算：车辆行驶速度为10～15 km/h、自然风速在0.5 m/s以下时，喷烟扩散幅宽可达20～30 m，防治效率为200～600亩/h，是便携式脉冲烟雾机工作效率的10～20倍，防治成本中的人工费大大降低。同时，烟雾机在整个防治过程中不需要水，可大量节约水资源。