气体火焰稳定方法及设备的制作方法

专利名称：气体火焰稳定方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明总体上涉及用于稳定气体火焰和减少NOx排放的方法和设备。更具体地， 本发明涉及用于在燃烧器的空腔中燃烧空气和燃料混合物的方法和设备。
背景技术：
许多家用和商用燃烧装置，如炉子、热水器、气体干燥器、锅炉、吸收式热泵、斯特 林引擎及其它装置，经常使用燃烧器来燃烧空气和燃料混合物以产生热。该燃料可以包括 天然气、丙烷、或其它适合的燃料。通常将燃烧器定位在燃烧室中且将空气和燃料的预混合 物提供给燃烧器用于燃烧。图1是典型的燃烧器的例子。如图1中所示，燃烧器10通常是圆筒形的，但典型 的燃烧器可以包括其它的形状。圆筒的外侧是燃烧表面12，空气和燃料混合物将在燃烧表 面12上燃烧。圆筒的一端是端盖14。另一端可以包括凸缘16，凸缘16可以包括紧固件孔 18，螺栓或其它紧固延伸穿过紧固件孔18以将燃烧器10固定到支撑结构。燃烧表面12包括通气口 20。通气口 20通常是可以大约与燃烧器10的壁厚差不 多宽的长形狭缝。例如，狭缝通常可以是半毫米宽乘以五毫米长，但是当然可以将其它的尺 寸用于通气口。燃烧器10的内部22包括扩散表面，该扩散表面在图1中的视角中看不到。空气和燃料混合物沿箭头A的方向被供给到燃烧器10并流入燃烧器10的开口端 并流入燃烧器10的内部22。然后空气和燃料混合物沿箭头B的方向通过通气口 20排出。 尽管只是沿左右方向示出箭头B的方向，但是本领域的技术人员能够理解空气和气体混合 物将通过所有的通气口 20径向地穿出。点火装置将点燃空气和燃料混合物，且其将在燃烧 器10的燃烧表面12上燃烧。当空气和燃料混合物燃烧时，将沿与箭头B相似的所有方向 从燃烧器10径向地辐射出热。随着燃烧产生的热气沿箭头B的方向移动，热也通过对流而 移动。如果空气和燃料混合物供给过快，则空气和燃料混合物通过通气口 20排出的速 度可能比燃料的燃烧速率快。这种情况下，燃烧可能脱离燃烧器10的燃烧表面12且燃烧器 10可能经历熄火(blow out)，这是燃烧停止且火焰熄灭的情况。熄火可能发生在个别通气 口处的局部区域中，且在特定的条件下，熄火可能蔓延或者也可能发生在燃烧表面12上的 其它地方。因此，为了达到期望的燃烧特性和避免熄火，必须小心控制空气和燃料混合物。图2示出定位在热交换器M中的典型的燃烧器10的截面。燃烧器10可以通过连 接到凸缘16的紧固件52固定到燃烧装置55上。紧固件52可以直接连接至燃烧装置55， 或者在如图2所示的一些实施例中，紧固件52可以连接到空气/气体供应管道64，空气/ 气体供应管道64构造成将空气和燃料混合物供给到燃烧器10。空气和燃料混合物沿箭头 A的方向进入燃烧器10。空气和燃料混合物在燃烧器10的内部22中被扩散表面M扩散 且沿箭头B的方向从通气口 20排出。空气和燃料混合物在燃烧表面12上燃烧，同时生成 热以传递到热交换器M。热交换器M包括以截面示出的管56，管56填充有流经该管56 的流体。随着由空气和燃料混合物的燃烧生成的热气越过和经过管56的周围，来自热气的热穿过管56流入通过管56流动的流体。热气越过管56后，可以沿箭头E的方向移动并经 由排气口 60排出。位于热交换器M的燃烧室58中的燃烧器10通常与管56间隔开，以将管56定位 在后燃烧区62的外面。尽管燃烧通常发生在燃烧表面12上，但在后燃烧区仍然发生化学 反应。例如，在后燃烧区中，CO转变成C02。对于家用电器的典型的后燃烧区62的例子是 在燃烧表面12与管56之间有大约两英寸。当然，后燃烧区62的尺寸取决于许多因素，包 括燃烧器的尺寸和容量、使用的燃料和燃料燃烧率(rate of fuel bring burned)及其它 因素。正如本领域的技术人员可以理解的，不但空气和燃料混合物进入燃烧器10的速 率会影响燃烧特性，而且如燃烧发生时的温度和后燃烧区62的温度等因素也会影响燃烧 特性。另一影响燃烧特性的因素是来自热交换器M的声共振的反馈。有时将燃烧室58的 振动或共振称为声反馈，其也会影响后燃烧区62中发生的化学反应和在燃烧表面12上发 生的燃烧。燃烧装置55、热交换器M和由箭头E指出的流动路径可以被看作亥姆霍兹共振 器，其引起能够影响燃烧现场和后燃烧区中产生的化学反应的声共振。控制这种共振是困 难的。该共振可以影响空气和燃料混合物的燃烧，造成不期望的影响，例如更多的NOx排 放、火焰不稳定、或其它不期望的燃烧特性。此外，可以将燃烧器10调整或控制成尽管有不 期望的反馈也能工作，而不是调整成减小其它不期望的特性。当今的竞争性的和环境方面的考虑不断向如燃烧装置的产品施压，以提高效率和 减少排放。由于以如今已知的燃烧技术得到更好的性能参数是很困难的，因此提高这些性 能参数变得更具挑战性了。在保持或提高燃烧器性能特性的同时，要达到排放物的限度和 效率的需求变得更加困难，其中燃烧器的性能特性例如为调整范围、火焰稳定性、点火特 性、燃烧器负荷和共振燃烧噪声的消除或减少等。因此，需要提供一种燃烧器，这种燃烧器可以提高关于排放物需求和效率的性能 参数，而且保持如期望的调整范围、火焰稳定性、期望的点火特性、期望的燃烧器负荷、及共 振燃烧噪声的减少或消除的期望的燃烧器性能特性。

发明内容
本发明很大程度上满足了上述的要求，其中一方面，在一些实施例中提供的方法 和设备提高了燃烧器的效率、减少了不期望的排放、且保持了如期望的调整范围、提高的火 焰稳定性、期望的点火特性、期望的燃烧器负荷、及共振燃烧噪声的减少或消除等期望的特 性。根据本发明的一个实施例，提供了一种燃烧气体的方法。该方法包括使空气和燃 料混合物通过燃烧器中的孔流入燃烧器中的内腔；使空气和燃料混合物在至少部分地限定 内腔的内表面上燃烧；及使被加热的气体从内腔经由燃烧器中的孔移到燃烧器的外面。根据本发明的另一实施例，提供了一种燃烧器。该燃烧器包括主体，其限定有 内腔；燃烧表面，其定位在主体中并至少部分地限定内腔；扩散表面，其定位在主体的外部 上；主体上的通气口，其延伸穿过扩散表面和燃烧表面并构造成在内腔与主体外面的周围 空气之间提供流体连通；及开口，大于通气口中的至少一个，该开口提供内腔与主体外面的5空间之间的流体连通。根据本发明的又一个实施例，提供了一种降低对燃烧装置的声反馈的方法形成 用于燃烧装置中产生的热气的集中流动路径；将热交换器定位在流动路径中以收集热气的 热；及将间隙、从燃烧装置朝热交换器扩张的连接器、及从燃烧装置朝热交换器收缩的连接 器中的一个定位在燃烧装置与热交换器之间的流动路径中。为了可以更好地理解此处对本发明的特定实施例的详细描述、及为了可以更好地 体会对现有技术的当前贡献，已经相当宽泛地概述了本发明的特定实施例。当然，以下将描 述本发明的附加的实施例，且其将形成本发明所附权利要求的主题。在这个方面，在详细解释本发明的至少一个实施例之前，应当理解本发明的申请 中并不将本发明局限于其构造的细节和以下说明书中提出的或图中示出的部件的布置。本 发明能够有除了所描述的实施例以外的实施方式，且能以不同的方式实践和实现。还应当 理解此处使用的措辞和术语以及摘要是为了描述的目的且不应该被认为是限制本发明。因而，本领域的那些技术人员将体会到可以容易地将本公开文本的基本概念用作 设计其它结构、实现本发明的一些目的的方法和系统的基础。因此，在其不偏离本发明的精 神和范围的情况下，将权利要求视为包括这此等同构造是重要的。


图1是示出典型的燃烧器的立体图。图2是包括热交换器和燃烧器的典型燃烧装置的截面图。图3是包括根据本发明一个实施例的燃烧器的燃烧室的立体图。图4是根据本发明的另一实施例的燃烧器的立体图。图5是包括根据本发明实施例的燃烧器的燃烧室的截面图。燃烧室和燃烧器流体 连接到热交换器。图6示出根据本发明的用收缩管与热交换器连接的燃烧器的侧面图。图7示出根据本发明的用扩张管与热交换器连接的燃烧器的截面图。
具体实施例方式现在将参照附图描述根据本发明的实施例，通篇中相似的附图标号指的是相似的 部分。图3中示出了根据本发明的实施例的燃烧器30。从一些方面讲，该燃烧器30与图1 中示出的燃烧器类似。然而，图3中示出的燃烧器30具有一些关键的特征。燃烧器30包括内燃烧表面32。一些实施例中内燃烧表面32可以由耐火高温钢制 成。或者燃烧表面32可以由金属纤维或陶瓷制成。可以使用任何合适的材料来构成根据 本发明的燃烧表面32。燃烧器30通常是圆筒形的且一端具有盖34。燃烧器的另一端附近 有凸缘36，该凸缘36具有用于将燃烧器30固定到支撑结构的紧固件孔38。燃烧器30包括位于圆筒部分41及端盖；34上的通气口 40。通气口 40可以具有 与关于图1描述的那些通气口相似的尺寸。通气口 40的宽度可以与构成燃烧器30的侧壁 41的材料厚度大致相同。通气口 40尺寸的一个例子可以是二分之一毫米乘以五毫米，然 而，根据本发明可以使用任何合适尺寸的通气口 40。可以根据特定应用的具体需要确定通 气口 40的尺寸。通气口 40提供了燃烧器30外面的周围环境与燃烧器的内部42之间的流体连通。燃烧器30的外侧上有扩散表面44。根据本发明的一些实施例中，扩散表面44可 以由不锈钢制成，然而，根据本发明可以使用任何合适的材料。如图3示出的，可以将燃烧器30定位在加压室46中。图3中示出的加压室46只 是一个示意且不是用于描绘加压室46的具体几何形状。根据本发明可以使用任何合适的 几何形状。进气口 48将空气和燃料混合物提供给加压室46。空气和燃料混合物沿箭头C 指出的方向通过进气口 48流入加压室46并通过通气口 40流入燃烧器30的内部42。根据本发明的一些实施例，进气口 48和加压室46被加压成正压，以将空气和燃料 混合物驱动到燃烧器30中。一些实施例可以包括位于燃烧器30上游的用于向进气口 48 和加压室46加压的风扇或其它装置。另一些实施例可以包括位于燃烧器30下游的风扇或 其它压力产生装置。不管空气和燃料混合物是被压进还是被抽出通过燃烧器30，都可以使 用燃烧器30。在空气和燃料混合物被抽出通过燃烧器30的实施例中，本领域的技术人员将 理解可以在没有加压室46的情况下供给空气和燃料混合物。可以根据本发明实现将空气 和燃料混合物提供给燃烧器30的任何合适的装置。一旦空气和燃料混合物已经沿箭头C的方向通过通气口 40流入燃烧器30的内部 42，空气和燃料混合物就在燃烧器30的内部42中燃烧。空气和燃料混合物可以由任何合 适的点火系统来点燃。空气和燃料混合物的燃烧发生在由燃烧器30限定的内空腔42中。当空气和燃料 混合物已经在燃烧器30中燃烧后，其就沿箭头D的方向从燃烧器30中经开口 50逸出。如图3中可以看到的，内燃烧表面32可以具有比开口 50的表面积大得多的表面 积。该特性与图1中示出的燃烧器相反，图1中燃烧表面12与放热面积的尺寸大致相同 (就是大致相同的面积)。在图1中示出的燃烧器10上，热沿箭头B示出的方向逸出。燃 烧表面12与放热表面12之比大约是1比1。采用图3中所示的燃烧器30，燃烧表面32可以具有比开口 50的面积大得多的表 面积，其中热气和热通过开口 50逸出燃烧器30。这给出使燃烧器生成的热气和热集中通过 开口 50的效应(affect)。燃烧表面32与开口 50的比理论上不受限制。图4是根据本发明的另一燃烧器30的立体图。图4中示出的燃烧器30是盒状的。 该燃烧器30具有与以上已经描述的那些类似的通气口 40。空气和燃料混合物沿箭头C指 出的方向经由通气口 40进入燃烧器30。图4中示出的燃烧器30可以包含多于一个的开口 50，其中热气和热可以通过开口 50逸出燃烧器30。热气和热可以通过其逸出燃烧器30的 开口 50以不规则的图案示出，以说明燃烧器30的开口 50的形状可以选择成用于满足特定 应用中提出的任何要求或用于满足具体需要。此外，尽管图4的燃烧器30中示出了两个开 口 50，但也可以按照需要使用任何数量的开口 50。燃烧器30可以是具有内腔的任何形状。例子可以包括呈圆筒形、盒形、球形、环形 (torus)和U形的燃烧器。可以使用规则和不规则的其它形状。图4的燃烧器30在燃烧器30的内部42中燃烧空气和燃料混合物且沿箭头D的 方向经由开口 50放热。根据本发明的一些实施例，提供给燃烧器30的空气和燃料混合物包括比实现燃 烧的化学计量所需量更大量的空气。在一些实施例中，供给到燃烧器30的空气的量可以是化学计量所需量的1.1到1.5倍。在另一些实施例中，也可以使用其它的空气燃料比。在 本发明的一些实施例中，使用1. 2到1. 3倍的化学计量所需空气量在燃烧器中产生蓝色的 火焰。而用蓝色的火焰可以减少NOx排放。通过在燃烧器30的内腔42里进行燃烧，某些燃烧器30可以获得一些优点。例 如，因为当在较小的空间中进行燃烧时，燃烧器不太可能经历灭火，所以可以增大燃烧 器30的调整范围。如果不管因为什么原因(如在空气和燃料混合物中的输送中的异常 (anolomity))沿燃烧表面32的任何部分的燃烧停止而不仅仅是灭火，周围的燃烧可以就 经历灭火的燃烧表面32的个别通气口或部分重新点燃空气和燃料混合物。这种特征可以使得燃烧器30在空气和燃料混合物流速较高时具有增加的可靠 性，由此增大其调整范围。另一方面，通过允许将较少量的空气和燃料混合物提供给燃烧器 30而燃烧器10仍然具有可靠操作，也可以增大调整范围。当将少量或大量的空气和燃料 混合物施加到燃烧器30时，燃烧器30都能够继续燃烧，由此增大了它的调整范围。由于相 同的原因，在调整范围内也提高了火焰稳定性。根据本发明的燃烧器30的调整范围可以为 10 1或超过10 1。在发生红外燃烧的少量的空气和燃料混合物处，可以通过温度分布稳定火焰。当 火焰呈蓝色、空气燃料混合物流速非常低时，通过燃烧器30中的腔的温度出现火焰的稳定。图5是根据本发明的实施例的与热交换器66流体连接的燃烧器30的截面图。燃 烧器30安装在加压室46中。空气和燃料混合物经由进气口 48进入加压室46。空气和燃 料混合物在加压室46中处于正压并且经由通气口 40移动到燃烧器30中。箭头C示出未燃烧的空气和燃料混合物的移动方向。空气和燃料混合物在燃烧器 30的内室42中燃烧，且沿箭头D的方向经由燃烧器出口 50移动通过热交换器66的路径 72。当热气移动通过热交换器66的路径72时，热从热气穿过侧壁67移动到待加热的流体 68中。在一些热交换系统中，如图5中示出的路径72之类的热交换路径可能会受到声振 动和共振。如图5中示出的通道72之类的通道可以模制为亥姆霍兹(Helmholz)共振器且 放大振动和/或声共振。该振动可引起对燃烧器30的声反馈。根据本发明的一些实施例，在燃烧器30的开口 50与通过热交换器66的路径72 之间存在间隙70。该间隙70可以有助于防止对燃烧器30的声反馈。当热气移动通过通道 72时，它们可能产生振动和声共振。这些振动可朝着燃烧器30传回。燃烧器与路径72之 间的间隙70可以减小传回燃烧器30的声共振的量。通过减小对燃烧器30的声反馈，可以 在燃烧器30中更好地控制燃烧。因为燃烧和后燃烧区在腔42中，所以热交换器M和燃烧室/加压室46对腔42 的状态的影响很小或没有影响。根据本发明的另一些实施例，如图6和7中示出的，用于减小对燃烧器30的声共 振反馈的其它技术可以包括使用扩张管或收缩管来将燃烧器30与热交换器66连接。图6示出了具有发生燃烧的燃烧器30的燃烧室46。热气沿箭头D指出的方向从 燃烧器30流出并朝通过热交换器66的路径72流动。燃烧器30经由凸缘36连接到加压 室46。收缩过渡段或管74将燃烧器30的内部与通过热交换器66的路径72连接。收缩过渡段74可以包括与关于燃烧器30描述的相类似的凸缘76和78，以允许收缩过渡段74连 接于加压室46和热交换器66。与图6中示出的相反，图7中示出的实施例包括将燃烧器30的内部42与热交换 器66中的流体路径72相连接的扩张过渡段80。该扩张过渡段80可以是具有与以上描述 的那些相类似的凸缘82和84的管。该凸缘可以包括用于设置紧固件以将扩张过渡段80 连接到加压室46热交换器66的孔。或者凸缘84也可以允许紧固件连接到燃烧器30的凸 缘36。根据本发明可以使用连接扩张过渡段80或如图6中示出的收缩过渡段74的任何合 适的方式，且凸缘并不是对于所有的实施例都是必须的。图6的收缩过渡段74和图7的扩张过渡段80与图5中示出的间隙70起到类似 的作用。过渡段74和80减小了在热交换器66中产生的传回燃烧器30的声共振的量。与 过渡段的内部直径与流体路径72和燃烧器的内部的直径相同的过渡段相比，间隙70或收 缩过渡段74或扩张过渡段80已经表现出能够有效减小声共振的量。在某些方面，可将图 5中示出的间隙70看作是直径无穷大的扩张过渡段。根据本发明的一些实施例，在热交换器66的流体路径72中不会产生热气的燃烧， 而是在燃烧器30的内部42中出现燃烧及后燃烧区。将后燃烧区保持在燃烧器30中能够提 高后燃烧区中的热气的温度。图2中的后燃烧区62不包含在燃烧器的内部42中。因而， 基于一些因素后燃烧区62可能不那么热。例如，在图2的燃烧器20中燃烧表面与排出热气的表面之比约为1 1。因此， 热和热气没有如上所述情况那样被集中，在上述情况中放热表面与燃烧表面的比可以高得^^ ο此外，在后燃烧区62中发生全部化学反应之前，如图2中所示的后燃烧区62可能 将热输出(lose)到热交换器的管56。与图2的燃烧器相反，如图3-7中示出的，根据本发明的一些实施例的燃烧器10 将燃烧和后燃烧区保持在燃烧器10的内部42中。通过将燃烧和后燃烧区保持在燃烧器10 的内部42中，热和热气被集中。此外，在热气从后燃烧区排出之前，热气不能将热输出到热 交换器。通过保持相对较热的后燃烧区，使得火焰稳定，且可以实现CO到CO2的更完全的转 化，由此减少CO排放。在这些情况下，NOx排放可以很少。在一些实施例中，CO排放可以为 IOppm(无空气(air free))或低于IOppm(无空气(air free))，且NOx排放可以为IOng/ J或低于10ng/J。根据一些实施例的燃烧器10的进一步的优点是容易将热和热气引导到期望的路 径。可以容易地将热引导成以期望角度遇到热交换器。
权利要求
1.一种燃烧气体的方法，包括使空气和燃料混合物通过燃烧器中的孔流入所述燃烧器中的内腔；使所述空气和燃料混合物在至少部分地限定所述内腔的内表面上燃烧；及使被加热的气体从所述内腔通过所述燃烧器中的孔移到所述燃烧器的外面。
2.如权利要求1所述的方法，还包括将基本上所有的燃烧都包含在所述腔中。
3.如权利要求1所述的方法，还包括使所述空气和燃料混合物以蓝色火焰和红外火焰 的至少其中之一燃烧。
4.如权利要求1所述的方法，还包括为所述空气和燃料混合物提供比燃烧燃料的化学 计量所需量更多的空气。
5.如权利要求4所述的方法，其中，提供了比燃烧燃料的化学计量所需量多50%的空气。
6.如权利要求1所述的方法，还包括将所述被加热的气体移动到热交换器中。
7.如权利要求6所述的方法，其中，在所述燃烧器的外面不发生燃烧。
8.如权利要求6所述的方法，还包括使所述被加热的气体移动通过所述燃烧器与所述 热交换器之间的间隙。
9.如权利要求6所述的方法，还包括使所述被加热的气体移动通过将所述加热器的内 部与所述热交换器流体连接的收缩管和扩张管中的一个。
10.如权利要求1所述的方法，还包括提供比所述加热器中的腔中的空气压力大的加 热器周围空气压力。
11.一种燃烧器，包括主体，所述主体限定有内腔；燃烧表面，所述燃烧表面位于所述主体中并至少部分地限定所述内腔；扩散表面，所述扩散表面位于所述主体的外部上；主体上的通气口，所述通气口延伸穿过所述扩散表面和燃烧表面并构造成在所述内腔 与所述主体外面的周围空气之间提供流体连通；及开口，所述开口大于所述通气口中的至少一个，所述开口提供所述内腔与所述主体外 面的空间之间的流体连通。
12.如权利要求11所述的燃烧器，还包括用于将所述燃烧器连接到支撑结构的凸缘。
13.如权利要求11所述的燃烧器，还包括第二开口，所述第二开口大于所述通气口的 至少一个，所述第二开口提供所述内腔与所述主体外面的空间之间的流体连通。
14.如权利要求11所述的燃烧器，其中，所述燃烧器通常形成以下形状圆筒形、盒形、 球形、环形和U形。
15.如权利要求11所述的燃烧器，其中，所述燃烧表面与所述开口的表面积之比是至 少1.4单位的燃烧表面比1.0单位的开口。
16.如权利要求11所述的燃烧器，还包括燃烧装置，其中所述燃烧器位于所述燃烧装 置的燃烧室中。
17.如权利要求16所述的燃烧器，其中，所述燃烧装置构造成以比所述内腔中的空间 的压力大的压力向所述燃烧器提供空气和燃料混合物，使得所述空气和燃料混合物将通过 所述通气口流入所述内腔，并且其中，提供了比燃烧燃料的化学计量所需量更多的空气。
18.如权利要求11所述的燃烧器，还包括热交换器，所述热交换器定位成和构造成限 定用于通过所述开口从所述内室排出的气体的流动路径。
19.如权利要求18所述的燃烧器，其中，所述燃烧器的所述开口与所述热交换器中的 开口被间隙隔开。
20.如权利要求18所述的燃烧器，其中，所述燃烧器的所述开口与所述热交换器中的 开口由构造成在所述内腔与所述热交换器之间进行流体连通的导管连接，其中所述导管是 从所述腔和所述热交换器收缩的导管和从所述腔朝所述热交换器扩张的导管中的一个。
21.一种降低对燃烧装置的声反馈的方法，包括形成用于燃烧装置中产生的热气的集中流动路径；将热交换器定位在所述流动路径中以收集来自所述热气的热；及将间隙、从所述燃烧装置朝所述热交换器扩张的连接器、及从所述燃烧装置朝所述热 交换器收缩的连接器中的一个定位在所述燃烧装置与所述热交换器之间的所述流动路径 中。
全文摘要
一种燃烧器，包括主体，其限定有内腔；燃烧表面，其位于主体中且至少部分地限定内腔；扩散表面，其位于主体的外部上；主体上的通气口，其延伸穿过扩散表面和燃烧表面并构造成在内腔与主体外面的周围空气之间提供流体连通；及开口，其大于通气口中的至少一个，该开口提供内腔与主体外面的空间之间的流体连通。还描述了一种燃烧气体并减小燃烧装置中的声反馈的方法。
文档编号F23D3/40GK102057221SQ200880129757
公开日2011年5月11日 申请日期2008年6月13日 优先权日2008年6月13日
发明者京特·贝托尔德, 特里·希利亚德, 詹姆斯·雅各布斯 申请人:沃加斯公司