專利名稱：高效煤氣爐的制作方法
本申請為美國1992年12月1日遞交的07/983,885號申請，現(xiàn)為美國專利US—5,282,457的部分繼續(xù)申請。
本發(fā)明涉及加熱一建筑或其中某一封閉部分的加熱系統(tǒng)，特別涉及強制空氣和/或液體型或鍋爐型加熱系統(tǒng)。
現(xiàn)有技術中，用于住宅和商業(yè)建筑或其某一封閉部位的強制空氣/鍋爐型式的加熱爐尺寸較大，排放質量差，熱效率低，常常需要大排放系統(tǒng)例如一煙囪，因而不適于某些應用。
在使用適宜的燃料氣體、油或任一其它燃燒材料時，現(xiàn)有技術爐子的熱效率低的問題已被記述了不少，多數(shù)現(xiàn)有技術爐子的效率低于75％并需要大的排放系統(tǒng)，例如一煙囪以排放無用的燃燒產(chǎn)物至外部大氣，煙囪經(jīng)常排出300°F以上的燃燒產(chǎn)物，加熱爐的最近的一些“高效”設計強調利用現(xiàn)有技術來解決這個問題。這些高效率單元使用一個風扇從一個大面積熱交換器中抽出燃燒產(chǎn)物并因此而不再需要煙囪。代替煙囪的是，高效爐有一直徑2”—6”的排出管，排放有害的燃燒產(chǎn)物至外部大氣，這些新設計的高效爐熱效率可達90％，但它們沒有顧及所有影響熱效率的因素。
當提到總的熱效率時，有一個因素需要強調的就是燃燒空氣源，現(xiàn)有技術的爐子從被加熱建筑或住宅內部抽吸燃燒空氣，這就要求對較多量的空氣加熱，因而減少了總的熱效率。而新的高效爐設計強調，經(jīng)過一管道從外部大氣抽吸燃燒所用的空氣。
關于效率的最近一項值得強調的因素是開、關周期次數(shù)，美國、加拿大北部地區(qū)每年開關次數(shù)可達20,000，在每一開關周期中從其開始至達到穩(wěn)定狀態(tài)期間會產(chǎn)生不穩(wěn)定的低效率工況，一個可在較寬燃燒范圍操作的加熱單元明顯地減少了這一開、關周期次數(shù)并因此改善了整個熱效率。同樣，開關次數(shù)直接關系到加熱單元的耐用性，通過減少每年的開關次數(shù)，加熱單元的壽命可大大提高。
本發(fā)明在此考慮了上述影響熱效率的因素，使用了獨特的予混合設計結合帶壓/高速燃燒過程，提供了可變的燃燒率，其中使用外側空氣參與燃燒過程，并且不需要排風扇馬達，本發(fā)明爐子顯示熱效率為95％或更大，僅需要直徑少于1”的一個排出管道，本發(fā)明中可變燃燒率及獨特的程序控制系統(tǒng)使加熱單元有最大的總體熱效率。
本發(fā)明涉及的第二方面是討論燃燒過程中的排放質量?，F(xiàn)有技術的爐子沒有說明排放水平，新的“高效”設計集中在改進效率水平，很少或沒有考慮排放水平。某些現(xiàn)有技術中最新的設計已試圖通過使用少量過?？諝鈦斫档突鹧鏈囟?，進而減少NOx的排放水平。本發(fā)明通過其獨特的予混合設計說明了排放質量，這種予混合造成反應物更有效的混合并進而使燃燒過程進行完全。高速/超大氣壓的予混合氣造成燃燒率的增加并進而大大降低了NOx的生成。本發(fā)明在燃燒過程中也使用過剩空氣以進一步改進排放水平。
本發(fā)明涉及的第三方面是加熱單元的物理尺寸和重量。現(xiàn)有技術中常規(guī)和高效型二者都要占用較大空間，特別笨重?，F(xiàn)有技術爐子的尺寸/重量問題加上使用煙囪或大直徑管道的煙道排放要求，使得某些應用變得不實際。這些煙道排出要求使得在許多單元房及商業(yè)建筑中應用高效爐變得不切實際。結果，這些單元房及商業(yè)建筑轉而使用開銷較少的電加熱器，本發(fā)明應用一非常高的對流熱傳遞過程，使得加熱單元變得大為減少和緊湊。本發(fā)明的爐子不單緊湊而且對置位無敏感要求，使得同一加熱單元可水平放置或垂直放置。本發(fā)明要求一個直徑小于1”的排出管，其可為一種靈活設計，以適應各種常規(guī)結構。本發(fā)明的高效煤氣爐重量輕，緊湊以及要求較小的排出管，這些可使之安裝在小儲藏室，碗櫥或其它小空間內部。
本發(fā)明上述的以及其它的特點和目的及其實現(xiàn)，通過結合附圖對本發(fā)明的說明，將會變得更加清楚，并且發(fā)明本身亦可被更好地理解

圖1為本發(fā)明的部分剖切透視圖；圖2為本發(fā)明爐子的各部件示意圖；圖3為圖1中爐子熱交換器的部分剖切透視圖3A為圖3中熱交換器的側面縱剖面圖；圖4為本發(fā)明爐子所用的表面燃燒噴咀的透視圖；圖5為本發(fā)明爐子所用的高壓噴射噴咀的透視圖；圖6為本發(fā)明另一實施例的熱交換器的部分剖切透視圖；圖7為本發(fā)明另一實施例熱交換器的透視圖；圖7A為圖7中熱交換器的側向縱剖面圖；圖8為用于本發(fā)明爐子的控制系統(tǒng)示意圖；圖8A與圖8類似，但表示用于本發(fā)明另一實施例的示意圖；圖9示出本發(fā)明爐子所用的廢氣余熱回收系統(tǒng)的局部縱剖視圖；圖10為本發(fā)明另一實施例噴咀組件的透視圖；圖11為圖10中噴咀組件裝于本發(fā)明另一實施例熱交換器中的局部剖切透視圖；圖11A為圖11熱交換器的側向縱剖視圖；圖12為本發(fā)明另一實施例噴咀組件的透視圖。
下面參見附圖，其中相同標號表示相同或相應部件，圖1中示出一個高效煤氣爐，用于加熱建筑和/或住宅或其封閉部，并總體標以標號10。
高效煤氣爐10包括燃料供應系統(tǒng)12，空氣供應系統(tǒng)14，混合單元16，壓縮系統(tǒng)18，燃燒噴咀(噴燃器，下同)系統(tǒng)20，燃燒腔22，熱交換系統(tǒng)24，排氣管26，中心控制單元28，空氣鼓風機/組件系統(tǒng)30，以及控制/安全系統(tǒng)32。
空氣通過空氣供應系統(tǒng)14送入爐10?？諝夤到y(tǒng)14通過一個入口34將空氣送入混合單元16，該入口34通常經(jīng)一管道36連通于建筑或住宅的外部大氣以吸入外界空氣進行燃燒過程，入口34也可從室內吸入空氣進行燃燒。進入的新鮮空氣和/或預熱空氣通過一個空氣過濾器38。過濾器38的尺寸和型式?jīng)Q定于各種參數(shù)，包括壓縮機的要求以及進入空氣的質量，空氣過濾器38將從空氣流中除去不利的灰塵和其它夾雜的顆粒并因此保護了混合單元16、壓縮系統(tǒng)18以及噴咀系統(tǒng)20。一個計量控制閥40在過濾器38之后，混合單元16之前連到入口34。該控制閥40可使適當量的空氣進入混合單元16、壓縮機系統(tǒng)18以及噴咀系統(tǒng)20，以利于在預定燃燒率下的清潔有效的燃燒。
燃料供應系統(tǒng)通常從例如一個天然氣公司或儲存罐由管道(未示)直接供給。燃料氣體最好是天然氣，但也可用其它適宜的燃料氣體，例如丙烷。燃料氣體以管道輸送到一個調節(jié)器42的入口側，該調節(jié)器控制并保證一個非波動的燃氣流供入氣體計量閥44。氣體計量閥或孔44控制流到混合單元16的燃氣流的體積流量，在由中心控制單元28確定的燃燒率的情況下支持燃燒過程，單元28連通于氣體計量閥44。閥44的入口端連通于調節(jié)器42的出口端，閥44的出口端連通于混合單元16的入口端。
燃燒空氣入口孔或計量控制閥40和燃料氣體計量控制閥44與中心控制單元28相連通，以確保有正確的預定量/比率的空氣和燃氣供入到混合單元16。單元16混合這兩種氣體形成一種燃燒預混氣體，之后將該予混氣送入壓縮系統(tǒng)18的輸入側46。壓縮系統(tǒng)18的抽吸和混合單元16的結合產(chǎn)生了一個空氣、燃氣的完全混合。
閥44和閥40提供了一個噴咀系統(tǒng)20的可變化的燃燒率。當需要噴咀系統(tǒng)20有一固定的燃燒率時，閥44和40二者可用孔口取代。
壓縮系統(tǒng)18具有輸入側46，其引入壓縮機48，增壓燃燒予混氣，以提供給噴咀系統(tǒng)20高于大氣壓力的燃燒氣體。根據(jù)本發(fā)明，最好這一壓力為1—15PSIG之間。如下將討論的，壓縮機48可以是一多級鼓風機組件或是一壓縮單元。本文所述壓縮機48將達到需要的輸出壓力和流量，以符合本發(fā)明的操作條件。壓縮機的尺寸和型號為本領域技術人員熟知，并由具體的高效煤氣爐的要求或容量決定。壓縮機48的輸出或壓力側經(jīng)一連接管線50與噴咀系統(tǒng)20相通。管線50中帶有壓力感測裝置52，與中心控制單元28和控制/安全系統(tǒng)32相通，如果壓力損失產(chǎn)生或壓力超過一預定水平，便終止燃料氣體供應并進而終止燃燒程序。壓力感測器52為這種高效煤氣爐10中的幾種安全裝置之一。
空氣過濾器38、燃料氣體調節(jié)器42、燃料氣體計量閥44、空氣計量控制閥40、壓縮機48以及壓力感測器52全都可以在市場上買到并為本領域熟知。
高于大氣壓的予混氣經(jīng)連接管線50送入噴咀系統(tǒng)20并與噴咀組件35相通。噴咀組件35包括一個噴咀件56、一個點火源58，它用于點燃燃料氣體/空氣予混氣；以及一個安全火焰感測器60，保證有適宜的燃燒并維持之。噴咀組件35以最小的壓力損失經(jīng)噴咀件56接受并點燃高壓/高速予混氣工作。如下所述，噴咀組件35可包括一個多孔金屬絲噴咀64或一個噴氣噴咀66。這里的每一噴咀組件35將達到要求的火焰穩(wěn)定性，壓降，并在本發(fā)明各種操作條件下工作。
從噴咀組件35發(fā)出的高速火焰噴射以及燃燒反應均在絕緣筒狀燃燒腔22內發(fā)生并完成。燃燒腔22最好有2”—5”直徑，決定于設計的燃燒范圍及爐子結構。燃燒腔22從熱交換器上部98的頂板84延伸至熱交換器下部82的底板68。燃燒腔22具有一絕緣材料層74，其最厚1/8”—1/2”，決定于設計的燃燒范圍及爐子結構。絕緣材料層74從腔22的頂部開始，連到其內壁76。該絕緣起始于燃燒腔22和噴咀組件35交界處，并沿燃燒腔22全長延續(xù)。燃燒腔22從其頂部78至底部80為錐形收斂。該錐度使得腔22的底部直徑約為其頂部直徑的50％。為保證燃燒過程以有效方式在產(chǎn)生最小污染情況下進行完全，為保證所產(chǎn)生的熱以有效方式用來加熱要求的空間，以及為保證壓力燃燒過程有最低的噪音水平，燃燒腔22的這一錐變設計及絕緣是必要的。
從燃燒腔22出來的高速燃燒產(chǎn)物進入熱交換系統(tǒng)24的第一部分82。熱交換部82有絕緣材料裝襯于其底壁68以避免產(chǎn)生熱點。高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物的高對流導熱率將熱能傳向頂壁88以及外側壁90、92和94，這些壁連通于來自空氣鼓風機組件30的強制空氣流，之后、這些高速燃燒產(chǎn)物向上，穿過一系列翅管或裸管96。為圖示清楚，翅片沒有畫于透視圖3中，但在圖3A的剖視圖中作了圖示。圖6、6A及圖7、7A作了類似處理。翅管或裸管96在其入口端與壁88的熱交換部82連通；在其出口端與壁72的熱交換部98連通。高對流換熱機制將熱能由高速燃燒產(chǎn)物傳向翅管或裸管96的壁面和/或延伸表面，有效地將熱傳到空氣鼓風機系統(tǒng)30鼓出的。進而傳遍熱交換系統(tǒng)24的氣流。該高速燃燒產(chǎn)物其后從熱交換部98向下，朝熱交換部102流入第二套翅管104。高速燃燒產(chǎn)物之后從熱交換部102向上，又經(jīng)過另一套翅管或裸管108，流到熱交換部112，并且，最終該高速燃燒產(chǎn)物向下，從熱交換部112經(jīng)最后一套翅管116，流向熱交換部114。熱交換部114連通于排出管26，以將燃燒產(chǎn)物排出到外部大氣。該高速/高對流換熱率的燃燒產(chǎn)物流從燃燒腔22出來，以交叉流動方式經(jīng)過熱交換系統(tǒng)24，可使熱交換系統(tǒng)24非常緊湊、高效。熱交換部102和114向一側錐變，并且具排水機構120和122，冷凝液由此收集并排除。排水機構120和122的型式可以是，在排液前，先要積累到一個預定量，另一種型式可以是直接排放，即連到排出管26，使冷凝液經(jīng)排出管排除。這些液體排除機構為本領域所熟知。
熱交換部114在124處連到排出管26。高速/高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物通過一個小直徑的管126排到建筑或住宅外，管126的一端連通于熱交換部114，另一端連到外部大氣，在該管內部連接熱交換部114處，設有一個安全壓力感測器128，與中心控制單元28和控制/安全單元32相通，如果系統(tǒng)壓力變化，可關閉燃料氣體供應。該高速/高于大氣壓的低溫燃燒產(chǎn)物可通過一小直徑管道/或一撓性管126流動，并因此極有助于本發(fā)明高效煤氣爐安裝的容易程度和靈活性。根據(jù)本發(fā)明，該管道或撓性管直徑可以1/4”—1”變化，長度可到80英尺、該高速/高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物和熱交換系統(tǒng)的獨特設計造成其緊湊的結構，可為常規(guī)尺寸的1/3或更少，且效率超過95％。
控制/安全單元32包含那些一般商業(yè)爐中用的控制和安全裝置。這些包括火花點火器，煤氣閥，火焰感測件，其連接并控制煤氣控制閥44，前后吹洗系統(tǒng)的一個延時，空氣鼓風機組件系統(tǒng)30的一個延時，以使存留的熱能作有用功，空氣鼓風機組件系統(tǒng)30的一個安全關斷機物，以及一個恒溫器溫度輸入控制件，用于開、關設備，并調節(jié)燃燒率。
空氣鼓風機組件系統(tǒng)30包括一個馬達驅動的鼓風機組件，在130處從建筑物或住宅吸入空氣到組件30的抽吸側，并經(jīng)一特別設計的入口132，向封閉的燃燒腔22及熱交換系統(tǒng)24推壓空氣，以帶走熱能，之后在134處排出受熱的空氣，流入一管道系統(tǒng)(未示出)，其與建筑物或住宅的各個房間相通，以使受熱空氣分配到需加熱的地方。這一單元也可布置得使出口134直接將受熱空氣引入需加熱的空間，空氣鼓風機組件30連通并受控于控制/安全單元32。
中心控制單元28為一予置程序裝置，用于估價環(huán)境條件并與煤氣計量閥44和空氣計量閥40，壓縮機18和空氣鼓風機組件30相連通，以便調節(jié)燃燒率并有效地最佳化加熱循環(huán)，同時使爐子必須經(jīng)過的開/關回合數(shù)減至最少。
圖4示出本發(fā)明噴咀組件35的一個實施例，圖4所示噴咀由可透過氣體的纖維金屬材料64形成。合適的材料包括Fercalloy(英國注冊商標)，可從U.K.Atomic Energy Authority買到；以及Behifor，Bekiniox，Bekitex和Bekitherm(比利時注冊商標)并可從比利時的N.V.Behaert，S.A.買到。該纖維金屬材料64由一保持件142定位在噴咀組件35中，保持件142連到燃燒室22的前板144。點火器58和火焰感測器60連到燃燒腔22，并被定位在纖維金屬噴咀表面之前，以點燃來自噴咀表面的高速/高于大氣壓的予混氣流。該高于大氣壓的燃燒引起一個快速燃燒反應和一個更完全的燃燒反應，從而燃燒過程產(chǎn)生更少的、所不愿發(fā)生的污染物，象NOx等。
圖5示出本發(fā)明噴咀組件35的另一實施例，圖中所示為一噴射管咀66型式、圓柱形噴咀66連到燃燒腔22的前腔板150，高速/高于大氣壓的予混氣流供入噴咀66的入口152。予混氣通過噴咀內部按特定圖案排布的獨特設計的噴孔，流入點火器154，以點燃予混氣。來自噴咀66前開孔156的噴焰流接著進入燃燒腔22。一個火焰感測器158(一個安全裝置)位于噴咀前開孔156前方，以確保點燃成功并出現(xiàn)穩(wěn)定的火焰。上述兩種噴咀結構產(chǎn)生低的壓降。
圖6是本發(fā)明另一實施例的一個熱交換組件，以參考號200表示，其中，熱交換部98和112由熱交換部204代替。熱交換部204與熱交換部202相通，高速/高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物從燃燒腔22噴出后，到達熱交換部202。該燃燒產(chǎn)物在入口206處進入熱交換部202，并向上流到熱交換部204，其與熱交換部202是相通的。熱交換部202經(jīng)過一系列翅管或裸管210對高速/高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物進行傳輸。所述燃燒產(chǎn)物將高對流熱量傳到管210，來自空氣鼓風機組件30的強制空氣通過管210，并收集所述熱量。熱交換部204還經(jīng)一系列翅管或裸管212與熱交換部208相通。翅管或裸管212在其入口連著熱交換部204，在其出口連著熱交換部208，高速/高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物在入口214處進入管212，并向流到熱交換部208，經(jīng)排放系統(tǒng)26流出，高速/高于大氣壓燃燒產(chǎn)物與獨特的熱交換系統(tǒng)結構相結合，產(chǎn)生了僅為常軌裝置1/3或更少尺寸的緊湊結構以及大于95％的效率。
圖7為本發(fā)明另一實施例的一個熱交換器組件，以參考號300代表。其中，熱交換部302連到燃燒腔22，并連于熱交換部304，熱交換部304包括一系列的翅管或裸管306。這些翅管或裸管306以先向上后向下彎的波動形從熱交換部302連到熱交換部314。熱交換部304的翅管或裸管306在其出口端連到熱交換部314。高速/高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物在入口316處流入熱交換部302，并在318處流出進入熱交換部314。燃燒產(chǎn)物的高對流熱傳導將熱能傳入翅管或裸管306，從那兒，來自空氣鼓風機組件30的強制空氣流將熱能高效率地收集走。高效/高于大氣壓燃燒產(chǎn)物與熱交換系統(tǒng)獨特結構相結合，產(chǎn)生了僅為常規(guī)裝置尺寸1/3或更小的緊湊結構及超過95％的效率。
圖8是本發(fā)明另一實施例控制組件的示意方框圖，總以標號400代表。中心控制單元28與煤氣控制閥44，空氣控制閥40以及空氣鼓風機組件30連通。中心控制單元28由裝在建筑或住宅內、外的感測器170和172讀到溫度，并根據(jù)予置程序分析這些數(shù)據(jù)，決定適當?shù)娜紵?、鼓風機馬達速度以及爐子運轉的循環(huán)時間，以便高效地以最少數(shù)次的爐子開—關循環(huán)達到空間的加熱要求。這樣就為加熱的空間提供了更合適的溫度和舒適度，同時也增加了爐子的壽命。
圖8A與圖8類似，不同的是，它示出一控制組件28的示意圖，組件28與壓縮機系統(tǒng)18、空氣鼓風機組件30以及控制器55連通、控制器55為空氣控制閥40和燃料氣體控制閥44的結合體，供應空氣和燃料氣體至混合單元16，其后，將燃料氣、空氣的予混氣供入壓縮機系統(tǒng)18。在這一實施例中，中心控制單元28從裝于建筑或住宅內的感測器170和裝于建筑或住宅外的感測器172得到溫度情況，并根據(jù)予置程序估價這些數(shù)據(jù)，從而決定適宜的燃燒率、鼓風機馬達速度以及爐子操作的循環(huán)時間，以便高效地以最少的爐子開關循環(huán)次數(shù)滿足空間加熱要求。與圖8所敘相似，本控制系統(tǒng)也對被加熱空間提供了更合適的溫度和舒適度，同時增加了爐子的壽命。
圖9示出本發(fā)明另一實施例的一種余熱利用排放系統(tǒng)，總體以標號500代表。高速/高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物通過一個小直徑管送502排放到建筑或住宅外面。該小直徑管502裝在一個大直徑管504內部。管504用于抽吸外部空氣用于燃燒過程。較冷的空氣高效地被通過小直徑排放管內的高速/高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物所予熱，這是由于高速燃燒產(chǎn)物比常規(guī)情況有較高的對流熱傳導率。這一設計使爐子效率水平大于97％。
根據(jù)本發(fā)明的有50,000BTU/HR(英國熱量單位/小時)燃燒率的煤氣爐一般占地24”×14”×18”。中心控制單元可使這種50,000BTU/HR的爐子燃燒率從30,000BTU/HR變化到70,000BTU/ZHR，而且同時使爐子開—關次數(shù)減至最小。
圖10示出本發(fā)明另一實施例的一種燃燒系統(tǒng)600。上述本發(fā)明的各種實施例均有基本垂直安放的噴咀組件35以及燃燒腔22。盡管噴咀組件35及燃燒腔22的這種取向導致了優(yōu)良的操作結果，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，噴咀組件35及燃燒腔22水平取向放置對高效煤氣爐10的操作更為有利。
燃燒系統(tǒng)600包括噴咀組件35，一個燃燒腔22’和一個傳送管602。燃燒腔22’與以上所述實例的燃燒腔22相似，但腔22’不包含絕緣層74。在某些應用中已發(fā)現(xiàn)不需要絕緣層74以便保證燃燒過程以高效方式進行完全，同時產(chǎn)生最少的設計文件。在不需要絕緣層74時，可應用燃燒腔22’替代燃燒腔22。與以上所述實施例相似，高于大氣壓力的予混氣經(jīng)連接管線50供入噴咀系統(tǒng)20，并與噴咀組件35連通。噴咀組件35包括噴咀元件56，點火源58，用于燃著燃料氣體/空氣予混氣，以及安全火焰感測器60，以保證有合適的燃燒并維持之。燃燒組件35的操作為，通過噴咀元件56以最小的壓力損失接受并點燃高速/帶壓氣體混合物。噴咀組件35包括多孔纖維金屬噴咀64或噴射式噴咀66。
在圓柱形結構燃燒腔22’之中，從噴咀35射出的高速火焰得以在其中維持，并完成燃燒反應。燃燒腔22’最好是2”到5”直徑，決定于設計的燃燒率和爐子的結構，本實施例中，燃燒腔22’設計得水平置于一間隙604中，其位于圖3所示的熱交換上部98和112的中部。燃燒腔22’也可水平放置于圖6所示熱交換部204中部的間隙604中，或圖7所示熱交換器304的翅管或裸管306上端中部的間隙604中。燃燒系統(tǒng)600的燃燒腔22’從受熱的空氣134出口向空氣鼓風機組件系統(tǒng)30的入口132水平延伸。這樣，在130處從建筑或住宅抽入的空氣通過入口132被壓向噴咀組件35對面的燃燒腔22’的端部或者圖10箭頭606所示供輸管602的端部。這樣，燃燒腔22’的最高溫部分與吸進的空氣流相遇。
與噴咀組件35相對的燃燒腔22’的端部連到傳輸管602。傳輸管602為蛇形管，其將燃燒腔22’的輸出端連向相應的熱交換器。對圖3和圖3A所示，將是熱交換器下部82。對圖6和圖6A所示將是熱交換部204，對圖7和圖7A所示將是熱交換部302。傳輸管602在間隙604中由前向后從燃燒腔22’盤繞向下到達相應的熱交換器。
水平取向的燃燒系統(tǒng)600由于其燃燒腔22’的最高溫度部分朝向吸入的冷空氣流而有較好的傳熱效果。另外，與傳輸管602相結合，燃燒管22’的水平取向在高能爐10中有較好的空間利用性，限制了相應熱交換器相對側之間的空氣流動，從而強制空氣流過熱交換器，并有助于降低進入相應熱交換器的燃燒產(chǎn)物的溫度。燃燒產(chǎn)物溫度的這一降低由于其入口溫度大大降低，可允許使用更常用、更低價型式的熱交換器。
圖11和11A示出本發(fā)明另一實施例的帶有熱交換器610的燃燒系統(tǒng)600。從燃燒腔22’噴出的高速燃燒產(chǎn)物穿過傳輸管602并進入熱交換器610的熱交換部612。高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物的高對流傳熱率將熱能傳到612部的壁上，612部與來自空氣鼓風機組件30的強制空氣相通。其后高速燃燒產(chǎn)物向上穿過一系列管子614。管子614在其入口端連通于熱交換部612，在其出口端連通于一個熱交換部616。其后，高速燃燒產(chǎn)物從熱交換部616向下流入通向熱交換部620的第二套管子618。接著，該高速燃燒產(chǎn)物從熱交換部620向上穿過另一套管子622流到一個熱交換部624。然后，高速燃燒產(chǎn)物從熱交換部624向下穿過另一套管子626流到一個熱交換部628。接著，該高速燃燒產(chǎn)物從熱交換部628向上又穿過另一套管子630流到一個熱交換部632，最后，高速燃燒產(chǎn)物從熱交換部632向下經(jīng)最后一套管子634流向一個熱交換部636。熱交換部636與排出管26相通，以將燃燒產(chǎn)物排放到外部大氣。高對流傳熱機制有效地將熱能從高速燃燒產(chǎn)物傳到管子614、618、622、626、630及614的壁部，其后再將熱能傳到與這些管子相連的許多板640的延伸表面。之后，這些熱能被有效地傳到來自空氣鼓風機組件30并穿過熱交換器610的空氣流。
圖12示出本發(fā)明另一實施例的一個燃燒系統(tǒng)700，它特別適于高燃燒率的爐子。燃燒系統(tǒng)700包括噴咀組件35，燃燒腔22”以及一對傳輸管702和704。燃燒腔22”類似于燃燒腔22’，但具有另外的多個周向間隔分布、徑向向外、沿腔22”全長延伸的翅片706。該多個翅片706有助于將熱能從燃燒腔22”傳遞到來自鼓風機組件30的輸入空氣流，并由此有助于降低燃燒產(chǎn)物進入相應的熱交換器的溫度。應用中燃燒腔22”可以代替燃燒腔22或22’，但由于使用了腔22”其性能得以提高。與以上所述實施例相似，高于大氣壓的予混氣經(jīng)連接管線50供入噴咀系統(tǒng)20并連通于噴咀組件35。噴咀組件35包括噴咀元件56，點火源58，用于燃燒燃料氣體/空氣予混氣，以及安全火焰感測器60，以確保有適宜的燃燒并保持之。噴咀組件35通過噴咀元件56以最小的壓力損失接收并點燃高速/壓力氣體予混氣。噴咀組件35可包括多孔纖維金屬噴咀64或噴射式噴咀66。
從噴咀組件35噴出的高速火焰將在圓柱形結構的燃燒腔22”中維持并將燃燒反應進行完全。燃燒腔22”的直徑最好是2”—5”。決定于設計的燃燒率范圍及爐子結構。對于燃燒系統(tǒng)700，燃燒腔22”設計得與圖10所示類似，在間隔604中水平放置。圖10所示設計有一燃燒腔22”，位于熱交換上部98和112的中部。示于圖12中的燃燒系統(tǒng)700有一燃燒腔22”，位于圖3、3A所示熱交換上部98和112以及熱交換下部82、102和114之間約半程的間隔604中。當使用圖6和6A所示的熱交換器組件200時，燃燒系統(tǒng)700的燃燒腔22”位于熱交換上部204和下部202之間的約半程的間隔604中。當使用圖7和7A所示的熱交換器組件300時，燃燒腔系統(tǒng)700的燃燒腔22”位于管子306上端和熱交換下部302之間約半程的間隔604中。當使用圖11和11A所示熱交換器610時，燃燒系統(tǒng)700的燃燒腔22”位于熱交換上部616、624和632以及熱交換下部612、620、628和636之間的約半程的間隔604中。燃燒腔22”水平地從受熱空氣出口134向空氣鼓風機組件30的入口132延伸。這樣，在130處從建筑或住宅抽出的空氣被推壓通過入口132，流向燃燒腔22”端部，該端部位于噴咀組件35對面并連到傳輸管702和704，如圖12箭頭708所示。這樣，燃燒腔22的最高溫度部分接觸進入的空氣流。
燃燒腔22”對著噴咀組件35的端部連到傳輸管702和704。傳輸管702為蛇形管，其連接燃燒腔22”的輸出端至相應熱交換器的輸入端。傳輸管704也是一蛇形管，在管702相反的方向延伸，其亦連接燃燒腔22”的輸出端至相應熱交換器的輸入端。對于圖3和3A所示熱交換器，傳輸管702和704的輸出端將連到熱交換下部82；對于圖6和6A所示熱交換部，傳輸管702和704的輸出端將連到熱交換部204；對圖7和7A所示的熱交換部，傳輸管702和704的輸出端將被連到熱交換部302，以及對圖11和11A所示的熱交換部，傳輸管702和704的輸出端將被連到熱交換部612。熱交換部82、204、302、612以及其它各實施例公開的各種熱交換部可由分隔板分隔入兩個單獨部分，如果必要時，可使管702和704分別供應相應熱交換器的1/2。傳輸管702和704二者在從燃燒腔22”走向相應熱交換器時，朝相反方向地從間隔604的前方繞向其后方。傳輸管704有一附加的垂直延伸部710以便到達相應的熱交換器。
類似于燃燒系統(tǒng)600，燃燒系統(tǒng)700在面對進入空氣流的燃燒腔22”的最高溫度部有較好的熱傳遞。燃燒系統(tǒng)700特別適于高燃燒率的爐子。多個翅片706和兩個傳輸管702、704的使用可允許在保持燃燒系統(tǒng)700緊湊結構的同時，傳輸大量燃燒產(chǎn)物及其攜帶的熱量。另外，水平放置的燃燒腔22”結合傳輸管702和704可在高能高效爐10中較好利用空間，限制相應熱交換器相對側之間的空氣流動，從而強制空氣流過熱交換器，并有助于使進入相應熱交換器的燃燒產(chǎn)物降低溫度。燃燒產(chǎn)物溫度的這一降低允許使用更常用、低價型熱交換器。這是由于燃燒產(chǎn)物入口溫度大大降低之故。
以上詳述了本發(fā)明的優(yōu)選實施例，但不偏離本發(fā)明精神實質的一些改進、變化及替代方案也屬于所附權利要求書保護的范圍。
權利要求
1.一種清潔燃氣爐，它包括一罩殼，它限定了一個燃燒腔；噴咀機構，它位于所述殼中，用于燃燒帶壓的燃料氣體及空氣的予混氣以提供熱能，所述帶壓予混氣以大于一個PSIG的規(guī)定壓力送入所述噴咀機構；一個壓縮機，它用于壓縮該燃料氣和空氣的予混氣以提供帶壓的予混氣，并將其以規(guī)定速度送入所述噴咀機構；一個混合單元，它具有一燃燒空氣入口和一燃料氣體入口，所述混合單元可用于產(chǎn)生該燃料氣與空氣的予混氣，該混合單元與該壓縮機連通；用于將燃燒空氣供入所述混合單元空氣入口的機構；用于將燃料氣體供入所述混合單元燃料氣體入口的機構；一個熱交換器，它通過至少一個傳輸管連到所述燃燒腔，所述熱交換器包括多個基本垂直于該燃燒腔布置的管子；用于強制空氣流過所述熱交換器，并圍繞所述燃燒腔及傳輸管的機構，以使熱量傳到該強制空氣；用于排出高速燃燒產(chǎn)物的機構，它裝到熱交換器上；以及用于控制燃燒率的機構。
2.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，還包括用于控制爐子安全操作的機構，決定有適宜的燃燒，該機構用于控制與所述燃料氣體供給機構連通的爐子的安全操作，以控制燃料氣體向混合單元的供給。
3.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述燃燒空氣供給機構包括一個控制閥，它可操作地關閉供應給該混合單元的燃燒空氣，所述控制閥連通于所述控制機構，并可操作地改變供入混合單元燃燒空氣的流率，該控制閥位于所述空氣入口及混合單元之間。
4.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述燃料氣體供給機構包括一個調節(jié)器，它用于控制供到混合單元去的燃料氣體的壓力，該調節(jié)器位于燃料氣體入口和混合單元之間；一個控制閥，它位于該調節(jié)器和混合單元之間，該控制閥連通于所述調節(jié)器、混合單元以及控制機構，并且可操作地改變供到混合單元去的燃料氣體的流率。
5.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述壓縮機具有一個抽吸側和一個排出側，該壓縮機在抽吸側連通于所述混合單元，在排出側連通于噴咀機構，以將帶壓的予混氣供到噴咀機構。
6.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述噴咀機構包括一個圓柱形狀的噴咀，具有點燃帶壓予混氣的機構，并且，所述熱交換器還包括多個熱交換部，所述多個管子順次連接該多個熱交換部，至少其中一個熱交換部連通于所述傳輸管，另外一個熱交換部連通于所述排出機構。
7．根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述熱交換器還包括多個板片，它們相連于多個傳輸管子上。
8．根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述熱交換器包括一個限定了多個腔室的熱交換底部；起碼一個腔室連于所述傳輸管，另一腔室連于所述排出機構，一個熱交換頂部，它相對于所述熱交換底部，并與之相通，所述多個管子位于所述底部、頂部之間，并連接該底部、頂部，以使燃燒產(chǎn)物從燃燒腔到排出機構流過一個路。
9．根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述排出機構包括一個閥和一個壓力感測器，位于該熱交換器和排出管之間，其中排出管直徑小于1英寸并與外側大氣相通。
10．根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述燃燒空氣入口連到一個入口管，該管直徑小于 英寸并與外界大氣相通。
11．根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述排出機構與燃燒空氣入口結合，以使所述排出機構留存的熱量被傳到燃燒空氣，該排出機構位于燃燒空氣入口內部。該燃燒空氣入口和排出機構在爐子和室外分開。
12．根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，還包括一個冷凝液排出系統(tǒng)，其包含一個控制閥，允許冷凝液排出，所述冷凝液排出系統(tǒng)連到所述熱交換器的底部，以使當有足夠冷凝液積累觸發(fā)該控制閥時，使該閥打開。
13.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述噴咀機構包括一個纖維金屬噴咀；用于點燃該燃料氣體和空氣的予混氣的機構；以及感測火焰的機構。
14.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述帶壓予混氣的規(guī)定壓力為(1—15)PSIG之間。
15.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述控制燃燒率的機構包括一個中心控制單元；以及存儲多個加熱循環(huán)的機構，它與中心控制單元連通，以致該存儲機構向中心控制單元提供信息，以控制燃燒率。
16.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述帶壓燃料氣體和空氣的予混氣的燃燒導致了一個加速的燃燒率反應和更完全的燃燒反應，產(chǎn)生非常低的NOx產(chǎn)物。
17.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述控制燃燒率的機構包括一個第一溫度感測器，它用于確定外部空氣溫度；一個第二溫度感測器，它用于確定室內空氣溫度；一個中心控制單元，它連通于供給燃燒空氣的機構，供給燃料氣體的機構，強制空氣流動的機構，排放機構以及第一、二溫度感測器，從而使噴咀機構的燃燒率和強制空氣流動機構的速率根據(jù)外部空氣及室內空氣的溫度進行變動。
18.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述熱交換器包括一個燃燒集合管，它連于所述傳輸管；以及一個排氣集合管，它連于所述排出機構，所述多個圓柱狀管子相互連接所述燃燒集合管至所述排出機構。
19.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述燃燒腔布置得總體上平行于通過所述熱交換器的空氣流。
20.根據(jù)權利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述噴嘴機構包括一個噴射式噴咀；點燃所述燃料氣體和空氣的予混氣的機構；以及感測火焰的機構。
全文摘要
一種高效煤氣爐以獨特的預混合設計與帶壓/高速燃燒過程相結合。燃燒過程在燃燒腔中進行，高溫高速燃燒產(chǎn)物從燃燒腔經(jīng)翅片管到排出管流過一個路。來自高溫高速燃燒產(chǎn)物的熱量傳到翅片管。一空氣鼓風機強制空氣橫傳過翅片管和燃燒腔，以從翅片管帶走熱量并傳到一個建筑或其一個封閉的部位。
文檔編號F23D14/34GK1115842SQ9411909
公開日1996年1月31日 申請日期1994年12月15日 優(yōu)先權日1994年1月31日
發(fā)明者威廉姆·E·克雷默, 馬諾切赫·戴恩莎瓦 申請人:燃燒技術公司