以穩(wěn)態(tài)燃燒器為動力的熱煙霧機結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1.南通市廣益機電有限責任公司，江蘇 南通 226000；2.南京林業(yè)大學機械電子工程學院，江蘇 南京 210037)

采用熱煙霧載藥防治技術(shù)對高大林木病蟲害進行防治是最有效的防治方法之一[1-2]。熱煙霧載藥防治技術(shù)主要應(yīng)用于脈沖煙霧機上，即以脈沖發(fā)動機為熱動力的背負或手提式脈沖煙霧機，其防治效率是同類常規(guī)噴霧防治設(shè)備的10倍以上[3]，在林業(yè)病蟲害防治工作中發(fā)揮了巨大的作用。但因采用人工手提或背負的形式，裝滿農(nóng)藥后的整機重量超過20 kg，操作者勞動強度較大。為響應(yīng)我國農(nóng)林裝備向機械化與自動化方向發(fā)展需求，人工便攜式脈沖煙霧機應(yīng)向車載式方向發(fā)展，需研制適合車載的大型煙霧機。

熱煙霧機熱力霧化農(nóng)藥的基本原理是利用熱動力源工作過程中排出的燃燒廢氣熱能和動能將油溶劑農(nóng)藥進行熱力霧化成均勻細小的油霧滴，在空氣中形成可視的煙霧，因煙霧霧滴粒徑一般小于20μm，非常輕小，從噴霧機噴口噴出后可在空氣中升騰、擴散、彌漫，直至滲透包裹至整個樹冠，達到全面防治高大林木病蟲害的目的[4]。熱煙霧機使用的農(nóng)藥稱為油溶劑農(nóng)藥，也稱熱霧劑，一般是將菊脂類的農(nóng)藥原液稀釋溶劑油(通過采用0#柴油)中混合而成，因此由熱煙霧機噴出的可視煙霧，是一組細小油霧滴群，有效農(nóng)藥就溶解在細小油霧滴中，因此將這種農(nóng)藥噴灑技術(shù)稱為熱煙霧載藥防治技術(shù)。

熱煙霧機的熱動力源除了以上所述的脈沖發(fā)動機，國外早期也采用過小型二沖程或四沖程的活塞式發(fā)動機，因活塞式發(fā)動機的熱力霧化效率較低，早就棄之不用。如將脈沖煙霧機向車載式大型化熱煙霧機方向發(fā)展，則存在噪聲高、機型偏大等問題。因此本文提出采用以穩(wěn)態(tài)燃燒器為熱動力，研制大型車載煙霧機，稱為穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機。

國外穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機以美國CURTIS和TIFA兩家公司為主進行生產(chǎn)，但將穩(wěn)態(tài)燃燒器應(yīng)用于煙霧載藥技術(shù)相關(guān)的研究鮮有報道。國內(nèi)對脈沖煙霧機及脈沖發(fā)動機的相關(guān)研究較多[5-6]，而對穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機的研究自2005年國家林業(yè)局“948”項目開始，由南京林業(yè)大學與南通市廣益機電有限責任公司合作攻關(guān)，進行關(guān)鍵技術(shù)引進、消化、再設(shè)計及相關(guān)研究，進行穩(wěn)態(tài)燃燒器燃燒室的結(jié)構(gòu)設(shè)計及燃燒室-噴管的溫度和速度模擬研究[7-8]以及藥液霧化研究[9]。穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機的最關(guān)鍵部件為穩(wěn)態(tài)燃燒器與噴管，穩(wěn)態(tài)燃燒器是穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機的熱動力發(fā)生裝置，噴管是農(nóng)藥熱力霧化關(guān)鍵部位，這兩者組合在一起直接影響煙霧機的工作性能及煙化效果。

1 穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機的工作要求

穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機主要由穩(wěn)態(tài)燃燒器、噴管、供藥系統(tǒng)等構(gòu)成，其工作原理如下：以穩(wěn)態(tài)燃燒器為熱動力源，空氣由風機供給，燃油由油箱供給，二者一起進入穩(wěn)態(tài)燃燒器的燃燒室內(nèi)形成可燃混合氣，點火燃燒后產(chǎn)生的熱氣流從穩(wěn)態(tài)燃燒器排氣口排出進入噴管，位于噴管上的藥噴嘴將藥箱內(nèi)的油溶劑農(nóng)藥噴入噴管內(nèi)，利用噴管內(nèi)流動熱氣流的熱能和動能將農(nóng)藥進行熱力破碎、裂化、蒸發(fā)，形成非常細小的油霧滴，最后從噴管出口排入空氣中冷凝成可視的煙霧。

圖1 穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機結(jié)構(gòu)示意圖1.穩(wěn)態(tài)燃燒器；2.風機；3.入風口；4.燃燒室；5.燃燒器排氣口；6.噴管；7.藥箱；8.藥噴嘴；9.噴管出口；10.油箱

油溶劑農(nóng)藥從藥噴嘴噴入噴管內(nèi)，要利用噴管內(nèi)熱氣流的高溫熱能和高速動能，且藥液流量與熱氣流的能量兩者需滿足一定的匹配關(guān)系才能使農(nóng)藥完全熱力霧化，即在噴管噴口處不應(yīng)發(fā)生滴液或流液現(xiàn)象，又不能使農(nóng)藥因熱氣流溫度過高，或者到達藥噴嘴處的熱氣流中還存在燃燒的火焰，使油溶劑農(nóng)藥加入到燃燒的火焰團中產(chǎn)生燃燒，從而使農(nóng)藥產(chǎn)生分解失去藥性。因此，穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機整機設(shè)計時，應(yīng)主要考慮穩(wěn)態(tài)燃燒器燃燒室與噴管的結(jié)構(gòu)設(shè)計、風力的合理分配與入風口的位置確定、藥噴嘴的熱力霧化溫度控制等方面。

2 穩(wěn)態(tài)燃燒器結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

美國CURTIS公司的Dyna-Fog煙霧機穩(wěn)態(tài)燃燒器結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。從進氣口進入的新鮮空氣與噴油嘴噴出的油霧相混合，由點火器點燃混合的可燃混合氣，但因點火附近的區(qū)域較小，可燃混合氣在該區(qū)域內(nèi)無法獲得有效混合，也無法在該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)完全燃燒，因此在燃燒室內(nèi)橫向設(shè)置了多個氣流通道隔板，使氣流不斷繞道行走，不僅增加了氣道的紊流程度從而增強了油氣混合效果，而且延長氣道長度給予了火焰充分燃燒的時間，從而使可燃混合氣在燃燒室內(nèi)獲得充分燃燒。但這種結(jié)構(gòu)存在氣流通道阻力較大，燃燒線路較長，在同樣的結(jié)構(gòu)尺寸下從排氣口排出的氣流流量與流速均較低。

圖2 美國Dyna-Fog煙霧機穩(wěn)態(tài)燃燒器結(jié)構(gòu)1.進氣口；2.油噴嘴；3.點火器；4.燃燒室；5.氣道邊路隔板；6.氣道中心隔板；7.排氣口

結(jié)合考慮輕油燃燒器燃油鍋爐[10-11]與航空渦輪發(fā)動機燃燒室[12]的結(jié)構(gòu)，對穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機的穩(wěn)態(tài)燃燒器進行創(chuàng)新設(shè)計。輕油燃燒器結(jié)構(gòu)中，在油噴嘴附近點火區(qū)域，為避免此處風速過大不易點火燃燒，通過安裝穩(wěn)焰器將風量進行合理配置，使點火區(qū)域進入少量的低速空氣與油噴嘴噴出的油霧充分混合并開始燃燒，同時外圍進入的空氣不斷補充至燃燒區(qū)進行進一步混合燃燒；航空渦輪發(fā)動機燃燒室結(jié)構(gòu)中，采用內(nèi)外兩層壁面，在內(nèi)層壁面上開有許多進風口，將進入燃燒室的空氣分流成兩部分，一部分直接進入內(nèi)層壁面內(nèi)，與噴油嘴噴出的油霧相混合，直接參與一次點火燃燒，另一部分則從內(nèi)外層壁面間的流道流入，并由內(nèi)層壁面上的進氣口進入至內(nèi)燃燒室中心區(qū)域與未燃盡的燃料混合進一步燃燒，新鮮空氣不斷獲得補充，燃料很容易得到完全燃燒。

綜合這幾種燃燒器的結(jié)構(gòu)型式，創(chuàng)新設(shè)計了適用于穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機的穩(wěn)態(tài)燃燒器結(jié)構(gòu)[13-15]，如圖3 所示。將入風口設(shè)置在燃燒室較后部的外壁側(cè)面，同時燃燒室采用內(nèi)外兩層壁面結(jié)構(gòu)形式，燃燒室內(nèi)壁上開有許多狹長不同進氣方向的二次入風口，這樣不僅控制了點火器附近區(qū)域的空氣流量與流速，使一開始形成穩(wěn)定較小區(qū)域的燃燒火焰，同時通過多點多方向二次入風口進入的新鮮空氣不斷補充到燃燒區(qū)，可增加空氣與燃燒區(qū)氣流相混合的紊流性，使可燃混合物盡快獲得充分燃燒；另外，將入風口設(shè)置在后部，使新鮮冷空氣從燃燒室后部逐步流向前部到達點火區(qū)域時，在向前流動過程中不斷得到具有較高溫度燃燒室內(nèi)壁的加熱，使進入到點火區(qū)的空氣溫度及通過二次入風口進入到燃燒區(qū)的空氣溫度均得到不同程度的提升，有利于提高可燃混合氣的燃燒速度和燃燒效率。

圖3 穩(wěn)態(tài)燃燒器結(jié)構(gòu)1.油噴嘴；2.穩(wěn)焰器；3.點火器；4.燃燒火焰；5.燃燒室外壁；6.燃燒室內(nèi)壁；7.燃燒室二次入風口；8.入風口；9.排氣口；10.噴管冷卻風出口

3 燃燒室結(jié)構(gòu)方案改進設(shè)計

圖3所示的穩(wěn)態(tài)燃燒器為本公司一代產(chǎn)品，但在實際使用過程中還存在如下問題：①從入風口進入的空氣還需分流一小部分為噴管外壁進行冷卻，這相當于增加了一個泄壓口，為自動分配絕大部分風量順利進入燃燒室燃燒區(qū)域增加了難度；②入風口置于燃燒室后部上側(cè)面，使得上下部分進入燃燒室的空氣流量不相等，引起燃燒火焰不穩(wěn)定。

為解決這些問題，對穩(wěn)態(tài)燃燒器的結(jié)構(gòu)做了優(yōu)化改進，形成了二代產(chǎn)品穩(wěn)態(tài)燃燒器，二代結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)燃燒器二代結(jié)構(gòu)1.進風口；2.燃燒室；3.點火器；4.油噴嘴；5.穩(wěn)焰器；6.噴管

改進后的穩(wěn)態(tài)燃燒器仍采用雙層內(nèi)外壁面燃燒室結(jié)構(gòu)型式，取消內(nèi)壁面設(shè)置二次入風口結(jié)構(gòu)，內(nèi)外壁面間空氣流道采用螺旋葉片進行強制導(dǎo)流進風方式，使進入燃燒室內(nèi)燃燒區(qū)域的空氣流量獲得有效的配置；同時將穩(wěn)焰器也進行了合理改進，由穩(wěn)焰器底部窄小空間進氣方式改為在點火區(qū)域附近開設(shè)許多小進氣孔，既保證點火區(qū)域不斷獲得一定量的新鮮空氣與噴油嘴噴出的油霧形成較濃的可燃混合氣，又不會使進入點火區(qū)域的氣流流速過高，造成點火困難，從而能較好地起到穩(wěn)定剛剛點火形成的微弱火焰區(qū)，同時大量的空氣流從穩(wěn)焰器外圍迅速補充進入，使微弱的火焰迅速燃燒擴散傳播至整個燃燒室。

4 噴管及冷卻管結(jié)構(gòu)設(shè)計

穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機是以穩(wěn)態(tài)燃燒器燃燒工作后產(chǎn)生的高溫高速熱氣流流過噴管，利用噴管內(nèi)氣流的高溫熱能與高速動能將進入噴管內(nèi)的油溶劑農(nóng)藥進行熱力煙化成小于20 μm的油霧滴，從噴管出口噴出后冷凝成可視的煙霧。因此，噴管的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常關(guān)鍵。

穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機工作原理如圖5所示，將噴管設(shè)計成雙層結(jié)構(gòu)型式，可燃混合氣在穩(wěn)態(tài)燃燒器內(nèi)燃燒，因穩(wěn)態(tài)燃燒器內(nèi)層壁面筒直徑較大形成較大空間的燃燒室，燃燒室內(nèi)燃燒時使熱氣流迅速膨脹，氣壓增大，且只能從燃燒器出口流出經(jīng)由直徑較小的噴管，因此噴管內(nèi)氣流速度較高，可高達60～80 m/s，這為從噴管上藥噴嘴流入到噴管內(nèi)的農(nóng)藥進行霧化提供有效的動能；同時氣流溫度高達700 ℃左右，這又為農(nóng)藥霧化提供了足夠的熱能。穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機工作時，噴管一直處于700 ℃左右高溫環(huán)境中，在如此高的工作溫度下，很容易將噴管壁面燒穿，因此需對噴管進行適當冷卻。采用雙層噴管結(jié)構(gòu)，并將供給穩(wěn)態(tài)燃燒器燃燒用的空氣分流一小部分，從冷卻氣流出口通道流出，流進噴管與冷卻管構(gòu)成的雙層夾層空隙中，不斷對噴管進行冷卻，同時因空氣流量較小，對噴管內(nèi)氣流溫度的下降影響非常小。

另外，穩(wěn)態(tài)燃燒器采用雙層壁面結(jié)構(gòu)，不僅將進入燃燒室的空氣由燃燒室內(nèi)層壁面不斷加熱有效提高燃燒速度，同時也可適當降低燃燒室內(nèi)層壁面溫度，避免高溫燒蝕燒穿，從而達到提高穩(wěn)態(tài)燃燒器使用壽命的目的。

藥噴嘴設(shè)置在噴管中間段位置，藥噴嘴距燃燒器出口過近易導(dǎo)致燃燒室的高溫火焰或余火點燃油溶劑農(nóng)藥，使農(nóng)藥失去藥效。進入噴管內(nèi)的農(nóng)藥需利用氣流的高溫熱能與高速動能將農(nóng)藥進行熱力霧化成細小的油霧滴，因此也稱噴管上從藥噴嘴至噴管出口段為霧化管，如果霧化管過短，藥液無法充分利用噴管內(nèi)熱氣流的熱能與動能，使藥液無法全面霧化，在噴管出口或冷卻管出口易出現(xiàn)滴液或流液霧化不良現(xiàn)象。

圖5 穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機工作原理1.電機；2.風機；3.穩(wěn)態(tài)燃燒器；4.點火器；5.燃油器；6.油泵；7.噴油嘴；8.穩(wěn)焰器；9.螺旋器；10.燃燒器出口；11.噴管；12.冷卻管；13.冷卻管出口；14.噴管出口；15.藥噴嘴；16.電磁閥；17.藥泵；18.藥箱；19.溫度計；20.溫度顯示器；21.冷卻氣流出口通道；22.主入風口

5 藥液供給系統(tǒng)與安全操作控制

藥液供給系統(tǒng)由藥箱、藥泵、電磁閥及藥噴嘴組成。穩(wěn)態(tài)燃燒器工作過程中噴管內(nèi)氣流的熱能與動能若達不到藥液熱力霧化的條件會出現(xiàn)藥液霧化不良問題，出現(xiàn)霧化不良的滴液或流液不僅造成農(nóng)藥浪費，同時因熱煙霧機所使用的農(nóng)藥為油溶劑農(nóng)藥，溶劑油一般為柴油，當農(nóng)藥與高溫的噴管壁面相接觸，尤其在出口位置處存在大量的新鮮外界空氣，很容易出現(xiàn)著火等不安全事故。因此，在藥噴管前端需設(shè)置一溫度傳感器，并將達到熱力霧化條件的溫度用于反饋控制藥液供給系統(tǒng)的電磁閥，即溫度達不到要求時，即使操作電磁閥也無法使其連通打開藥開關(guān)。施藥結(jié)束時不能先關(guān)閉穩(wěn)態(tài)燃燒器后關(guān)閉電磁閥藥開關(guān)，這是因為此時噴管內(nèi)已沒有熱氣流，將導(dǎo)致噴管內(nèi)出現(xiàn)殘余不能霧化的農(nóng)藥，存在不安全隱患，因此必須采用自動控制系統(tǒng)進行自鎖約束，即只能先關(guān)閉藥開關(guān)后關(guān)閉穩(wěn)態(tài)燃燒器。

6 穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機田間防治效果

穩(wěn)態(tài)燃燒器于2009年研制成功后，形成6HYW-180與6HYW-400兩個主要型號產(chǎn)品，在全國各地進行了推廣應(yīng)用。6HYW-180產(chǎn)品及防治現(xiàn)場如圖6所示，經(jīng)測算：車輛行駛速度為10～15 km/h、自然風速在0.5 m/s以下時，噴煙擴散幅寬可達20～30 m，防治效率為200～600畝/h，是便攜式脈沖煙霧機工作效率的10～20倍，防治成本中的人工費大大降低。同時，煙霧機在整個防治過程中不需要水，可大量節(jié)約水資源。

圖6 6HYW-180產(chǎn)品及防治現(xiàn)場

7 小結(jié)

本文針對車載式穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機，分析比較了不同類型穩(wěn)態(tài)燃燒器的結(jié)構(gòu)特點，創(chuàng)新設(shè)計了第一代穩(wěn)態(tài)燃燒器，改進設(shè)計開發(fā)了第二代穩(wěn)態(tài)燃燒器，結(jié)合防治工效說明了穩(wěn)態(tài)燃燒煙霧機的工作性能與特點。