專利名稱：高效煤氣爐的制作方法
本申請(qǐng)為美國(guó)1992年12月1日遞交的07/983,885號(hào)申請(qǐng)，現(xiàn)為美國(guó)專利US—5,282,457的部分繼續(xù)申請(qǐng)。
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(qiáng)制空氣和/或液體型或鍋爐型加熱系統(tǒng)。
現(xiàn)有技術(shù)中，用于住宅和商業(yè)建筑或其某一封閉部位的強(qiáng)制空氣/鍋爐型式的加熱爐尺寸較大，排放質(zhì)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(yīng)用。
在使用適宜的燃料氣體、油或任一其它燃燒材料時(shí)，現(xiàn)有技術(shù)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(shù)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(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)利用現(xiàn)有技術(shù)來解決這個(gè)問題。這些高效率單元使用一個(gè)風(fēng)扇從一個(gè)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(shè)計(jì)的高效爐熱效率可達(dá)90％，但它們沒有顧及所有影響熱效率的因素。
當(dāng)提到總的熱效率時(shí)，有一個(gè)因素需要強(qiáng)調(diào)的就是燃燒空氣源，現(xiàn)有技術(shù)的爐子從被加熱建筑或住宅內(nèi)部抽吸燃燒空氣，這就要求對(duì)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(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)，經(jīng)過一管道從外部大氣抽吸燃燒所用的空氣。
關(guān)于效率的最近一項(xiàng)值得強(qiáng)調(diào)的因素是開、關(guān)周期次數(shù)，美國(guó)、加拿大北部地區(qū)每年開關(guān)次數(shù)可達(dá)20,000，在每一開關(guān)周期中從其開始至達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)期間會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定的低效率工況，一個(gè)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(guān)周期次數(shù)并因此改善了整個(gè)熱效率。同樣，開關(guān)次數(shù)直接關(guān)系到加熱單元的耐用性，通過減少每年的開關(guān)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(dú)特的予混合設(shè)計(jì)結(jié)合帶壓/高速燃燒過程，提供了可變的燃燒率，其中使用外側(cè)空氣參與燃燒過程，并且不需要排風(fēng)扇馬達(dá)，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(gè)排出管道，本發(fā)明中可變?nèi)紵始蔼?dú)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(zhì)量。現(xiàn)有技術(shù)的爐子沒有說明排放水平，新的“高效”設(shè)計(jì)集中在改進(jìn)效率水平，很少或沒有考慮排放水平。某些現(xiàn)有技術(shù)中最新的設(shè)計(jì)已試圖通過使用少量過?？諝鈦斫档突鹧鏈囟?，進(jìn)而減少NOx的排放水平。本發(fā)明通過其獨(dú)特的予混合設(shè)計(jì)說明了排放質(zhì)量，這種予混合造成反應(yīng)物更有效的混合并進(jìn)而使燃燒過程進(jìn)行完全。高速/超大氣壓的予混合氣造成燃燒率的增加并進(jìn)而大大降低了NOx的生成。本發(fā)明在燃燒過程中也使用過?？諝庖赃M(jìn)一步改進(jìn)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?，F(xiàn)有技術(shù)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(shù)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(yīng)用變得不實(shí)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(yīng)用高效爐變得不切實(shí)際。結(jié)果，這些單元房及商業(yè)建筑轉(zhuǎn)而使用開銷較少的電加熱器，本發(fā)明應(yīng)用一非常高的對(duì)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(duì)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(gè)直徑小于1”的排出管，其可為一種靈活設(shè)計(jì)，以適應(yīng)各種常規(guī)結(jié)構(gòu)。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(chǔ)藏室，碗櫥或其它小空間內(nèi)部。
本發(fā)明上述的以及其它的特點(diǎn)和目的及其實(shí)現(xiàn)，通過結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的說明，將會(huì)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(cè)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(shí)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(shí)施例熱交換器的透視圖；圖7A為圖7中熱交換器的側(cè)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(shí)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(shí)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(shí)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(cè)向縱剖視圖；圖12為本發(fā)明另一實(shí)施例噴咀組件的透視圖。
下面參見附圖，其中相同標(biāo)號(hào)表示相同或相應(yīng)部件，圖1中示出一個(gè)高效煤氣爐，用于加熱建筑和/或住宅或其封閉部，并總體標(biāo)以標(biāo)號(hào)10。
高效煤氣爐10包括燃料供應(yīng)系統(tǒng)12，空氣供應(yīng)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(fēng)機(jī)/組件系統(tǒng)30，以及控制/安全系統(tǒng)32。
空氣通過空氣供應(yīng)系統(tǒng)14送入爐10?？諝夤?yīng)系統(tǒng)14通過一個(gè)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(jìn)行燃燒過程，入口34也可從室內(nèi)吸入空氣進(jìn)行燃燒。進(jìn)入的新鮮空氣和/或預(yù)熱空氣通過一個(gè)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(jī)的要求以及進(jìn)入空氣的質(zhì)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(hù)了混合單元16、壓縮系統(tǒng)18以及噴咀系統(tǒng)20。一個(gè)計(jì)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(dāng)量的空氣進(jìn)入混合單元16、壓縮機(jī)系統(tǒng)18以及噴咀系統(tǒng)20，以利于在預(yù)定燃燒率下的清潔有效的燃燒。
燃料供應(yīng)系統(tǒng)通常從例如一個(gè)天然氣公司或儲(chǔ)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(gè)調(diào)節(jié)器42的入口側(cè)，該調(diào)節(jié)器控制并保證一個(gè)非波動(dòng)的燃?xì)饬鞴┤霘怏w計(jì)量閥44。氣體計(jì)量閥或孔44控制流到混合單元16的燃?xì)饬鞯捏w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(jì)量閥44。閥44的入口端連通于調(diào)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(jì)量控制閥40和燃料氣體計(jì)量控制閥44與中心控制單元28相連通，以確保有正確的預(yù)定量/比率的空氣和燃?xì)夤┤氲交旌蠁卧?6。單元16混合這兩種氣體形成一種燃燒預(yù)混氣體，之后將該予混氣送入壓縮系統(tǒng)18的輸入側(cè)46。壓縮系統(tǒng)18的抽吸和混合單元16的結(jié)合產(chǎn)生了一個(gè)空氣、燃?xì)獾耐耆旌稀?br> 閥44和閥40提供了一個(gè)噴咀系統(tǒng)20的可變化的燃燒率。當(dāng)需要噴咀系統(tǒng)20有一固定的燃燒率時(shí)，閥44和40二者可用孔口取代。
壓縮系統(tǒng)18具有輸入側(cè)46，其引入壓縮機(jī)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(jī)48可以是一多級(jí)鼓風(fēng)機(jī)組件或是一壓縮單元。本文所述壓縮機(jī)48將達(dá)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(jī)的尺寸和型號(hào)為本領(lǐng)域技術(shù)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(jī)48的輸出或壓力側(cè)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(cè)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(yù)定水平，便終止燃料氣體供應(yīng)并進(jìn)而終止燃燒程序。壓力感測(cè)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(diào)節(jié)器42、燃料氣體計(jì)量閥44、空氣計(jì)量控制閥40、壓縮機(jī)48以及壓力感測(cè)器52全都可以在市場(chǎng)上買到并為本領(lǐng)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(gè)噴咀件56、一個(gè)點(diǎn)火源58，它用于點(diǎn)燃燃料氣體/空氣予混氣；以及一個(gè)安全火焰感測(cè)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(diǎn)燃高壓/高速予混氣工作。如下所述，噴咀組件35可包括一個(gè)多孔金屬絲噴咀64或一個(gè)噴氣噴咀66。這里的每一噴咀組件35將達(dá)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(yīng)均在絕緣筒狀燃燒腔22內(nèi)發(fā)生并完成。燃燒腔22最好有2”—5”直徑，決定于設(shè)計(jì)的燃燒范圍及爐子結(jié)構(gòu)。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(shè)計(jì)的燃燒范圍及爐子結(jié)構(gòu)。絕緣材料層74從腔22的頂部開始，連到其內(nèi)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(zhǎng)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(jìn)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?cè)O(shè)計(jì)及絕緣是必要的。
從燃燒腔22出來的高速燃燒產(chǎn)物進(jìn)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(diǎn)。高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物的高對(duì)流導(dǎo)熱率將熱能傳向頂壁88以及外側(cè)壁90、92和94，這些壁連通于來自空氣鼓風(fēng)機(jī)組件30的強(qiáng)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(duì)流換熱機(jī)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(fēng)機(jī)系統(tǒng)30鼓出的。進(jìn)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(duì)流換熱率的燃燒產(chǎn)物流從燃燒腔22出來，以交叉流動(dòng)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(cè)錐變，并且具排水機(jī)構(gòu)120和122，冷凝液由此收集并排除。排水機(jī)構(gòu)120和122的型式可以是，在排液前，先要積累到一個(gè)預(yù)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(jī)構(gòu)為本領(lǐng)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(gè)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(nèi)部連接熱交換部114處，設(shè)有一個(gè)安全壓力感測(cè)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(guān)閉燃料氣體供應(yīng)。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(dòng)，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(zhǎng)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(dú)特設(shè)計(jì)造成其緊湊的結(jié)構(gòu)，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(diǎn)火器，煤氣閥，火焰感測(cè)件，其連接并控制煤氣控制閥44，前后吹洗系統(tǒng)的一個(gè)延時(shí)，空氣鼓風(fēng)機(jī)組件系統(tǒng)30的一個(gè)延時(shí)，以使存留的熱能作有用功，空氣鼓風(fēng)機(jī)組件系統(tǒng)30的一個(gè)安全關(guān)斷機(jī)物，以及一個(gè)恒溫器溫度輸入控制件，用于開、關(guān)設(shè)備，并調(diào)節(jié)燃燒率。
空氣鼓風(fēng)機(jī)組件系統(tǒng)30包括一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的鼓風(fēng)機(jī)組件，在130處從建筑物或住宅吸入空氣到組件30的抽吸側(cè)，并經(jīng)一特別設(shè)計(jì)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(gè)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(fēng)機(jī)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(jià)環(huán)境條件并與煤氣計(jì)量閥44和空氣計(jì)量閥40，壓縮機(jī)18和空氣鼓風(fēng)機(jī)組件30相連通，以便調(diào)節(jié)燃燒率并有效地最佳化加熱循環(huán)，同時(shí)使?fàn)t子必須經(jīng)過的開/關(guān)回合數(shù)減至最少。
圖4示出本發(fā)明噴咀組件35的一個(gè)實(shí)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(guó)注冊(cè)商標(biāo))，可從U.K.Atomic Energy Authority買到；以及Behifor，Bekiniox，Bekitex和Bekitherm(比利時(shí)注冊(cè)商標(biāo))并可從比利時(shí)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(diǎn)火器58和火焰感測(cè)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(diǎn)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(gè)快速燃燒反應(yīng)和一個(gè)更完全的燃燒反應(yīng)，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(shí)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(nèi)部按特定圖案排布的獨(dú)特設(shè)計(jì)的噴孔，流入點(diǎn)火器154，以點(diǎn)燃予混氣。來自噴咀66前開孔156的噴焰流接著進(jìn)入燃燒腔22。一個(gè)火焰感測(cè)器158(一個(gè)安全裝置)位于噴咀前開孔156前方，以確保點(diǎn)燃成功并出現(xiàn)穩(wěn)定的火焰。上述兩種噴咀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生低的壓降。
圖6是本發(fā)明另一實(shí)施例的一個(gè)熱交換組件，以參考號(hào)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(dá)熱交換部202。該燃燒產(chǎn)物在入口206處進(jìn)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(duì)高速/高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物進(jìn)行傳輸。所述燃燒產(chǎn)物將高對(duì)流熱量傳到管210，來自空氣鼓風(fēng)機(jī)組件30的強(qiáng)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(jìn)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(dú)特的熱交換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，產(chǎn)生了僅為常軌裝置1/3或更少尺寸的緊湊結(jié)構(gòu)以及大于95％的效率。
圖7為本發(fā)明另一實(shí)施例的一個(gè)熱交換器組件，以參考號(hào)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(dòng)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(jìn)入熱交換部314。燃燒產(chǎn)物的高對(duì)流熱傳導(dǎo)將熱能傳入翅管或裸管306，從那兒，來自空氣鼓風(fēng)機(jī)組件30的強(qiáng)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(dú)特結(jié)構(gòu)相結(jié)合，產(chǎn)生了僅為常規(guī)裝置尺寸1/3或更小的緊湊結(jié)構(gòu)及超過95％的效率。
圖8是本發(fā)明另一實(shí)施例控制組件的示意方框圖，總以標(biāo)號(hào)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(fēng)機(jī)組件30連通。中心控制單元28由裝在建筑或住宅內(nèi)、外的感測(cè)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(dāng)?shù)娜紵?、鼓風(fēng)機(jī)馬達(dá)速度以及爐子運(yùn)轉(zhuǎn)的循環(huán)時(shí)間，以便高效地以最少數(shù)次的爐子開—關(guān)循環(huán)達(dá)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(shí)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(jī)系統(tǒng)18、空氣鼓風(fēng)機(jī)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(jié)合體，供應(yīng)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(jī)系統(tǒng)18。在這一實(shí)施例中，中心控制單元28從裝于建筑或住宅內(nèi)的感測(cè)器170和裝于建筑或住宅外的感測(cè)器172得到溫度情況，并根據(jù)予置程序估價(jià)這些數(shù)據(jù)，從而決定適宜的燃燒率、鼓風(fēng)機(jī)馬達(dá)速度以及爐子操作的循環(huán)時(shí)間，以便高效地以最少的爐子開關(guān)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(duì)被加熱空間提供了更合適的溫度和舒適度，同時(shí)增加了爐子的壽命。
圖9示出本發(fā)明另一實(shí)施例的一種余熱利用排放系統(tǒng)，總體以標(biāo)號(hào)500代表。高速/高于大氣壓的燃燒產(chǎn)物通過一個(gè)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(gè)大直徑管504內(nèi)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(nèi)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(duì)流熱傳導(dǎo)率。這一設(shè)計(jì)使?fàn)t子效率水平大于97％。
根據(jù)本發(fā)明的有50,000BTU/HR(英國(guó)熱量單位/小時(shí))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(shí)使?fàn)t子開—關(guān)次數(shù)減至最小。
圖10示出本發(fā)明另一實(shí)施例的一種燃燒系統(tǒng)600。上述本發(fā)明的各種實(shí)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?qū)е铝藘?yōu)良的操作結(jié)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(duì)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(gè)燃燒腔22’和一個(gè)傳送管602。燃燒腔22’與以上所述實(shí)例的燃燒腔22相似，但腔22’不包含絕緣層74。在某些應(yīng)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(jìn)行完全，同時(shí)產(chǎn)生最少的設(shè)計(jì)文件。在不需要絕緣層74時(shí)，可應(yīng)用燃燒腔22’替代燃燒腔22。與以上所述實(shí)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(diǎn)火源58，用于燃著燃料氣體/空氣予混氣，以及安全火焰感測(cè)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(diǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)。燃燒腔22’最好是2”到5”直徑，決定于設(shè)計(jì)的燃燒率和爐子的結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例中，燃燒腔22’設(shè)計(jì)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(fēng)機(jī)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(duì)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(jìn)的空氣流相遇。
與噴咀組件35相對(duì)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(yīng)的熱交換器。對(duì)圖3和圖3A所示，將是熱交換器下部82。對(duì)圖6和圖6A所示將是熱交換部204，對(duì)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(dá)相應(yīng)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(jié)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(yīng)熱交換器相對(duì)側(cè)之間的空氣流動(dòng)，從而強(qiáng)制空氣流過熱交換器，并有助于降低進(jìn)入相應(yīng)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(jià)型式的熱交換器。
圖11和11A示出本發(fā)明另一實(shí)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(jìn)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(duì)流傳熱率將熱能傳到612部的壁上，612部與來自空氣鼓風(fēng)機(jī)組件30的強(qiáng)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(duì)流傳熱機(jī)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(fēng)機(jī)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(shí)施例的一個(gè)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(duì)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(gè)周向間隔分布、徑向向外、沿腔22”全長(zhǎng)延伸的翅片706。該多個(gè)翅片706有助于將熱能從燃燒腔22”傳遞到來自鼓風(fēng)機(jī)組件30的輸入空氣流，并由此有助于降低燃燒產(chǎn)物進(jìn)入相應(yīng)的熱交換器的溫度。應(yīng)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(shí)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(diǎn)火源58，用于燃燒燃料氣體/空氣予混氣，以及安全火焰感測(cè)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(diǎn)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(jié)構(gòu)的燃燒腔22”中維持并將燃燒反應(yīng)進(jìn)行完全。燃燒腔22”的直徑最好是2”—5”。決定于設(shè)計(jì)的燃燒率范圍及爐子結(jié)構(gòu)。對(duì)于燃燒系統(tǒng)700，燃燒腔22”設(shè)計(jì)得與圖10所示類似，在間隔604中水平放置。圖10所示設(shè)計(jì)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(dāng)使用圖6和6A所示的熱交換器組件200時(shí)，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(dāng)使用圖7和7A所示的熱交換器組件300時(shí)，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(dāng)使用圖11和11A所示熱交換器610時(shí)，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(fēng)機(jī)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(duì)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(jìn)入的空氣流。
燃燒腔22”對(duì)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(yīng)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(yīng)熱交換器的輸入端。對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(shí)施例公開的各種熱交換部可由分隔板分隔入兩個(gè)單獨(dú)部分，如果必要時(shí)，可使管702和704分別供應(yīng)相應(yīng)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(yīng)熱交換器時(shí)，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(dá)相應(yīng)的熱交換器。
類似于燃燒系統(tǒng)600，燃燒系統(tǒng)700在面對(duì)進(jìn)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(gè)翅片706和兩個(gè)傳輸管702、704的使用可允許在保持燃燒系統(tǒng)700緊湊結(jié)構(gòu)的同時(shí)，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(jié)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(yīng)熱交換器相對(duì)側(cè)之間的空氣流動(dòng)，從而強(qiáng)制空氣流過熱交換器，并有助于使進(jìn)入相應(yīng)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(jià)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(shí)施例，但不偏離本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)的一些改進(jìn)、變化及替代方案也屬于所附權(quán)利要求書保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種清潔燃?xì)鉅t，它包括一罩殼，它限定了一個(gè)燃燒腔；噴咀機(jī)構(gòu)，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(gè)PSIG的規(guī)定壓力送入所述噴咀機(jī)構(gòu)；一個(gè)壓縮機(jī)，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(jī)構(gòu)；一個(gè)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(jī)連通；用于將燃燒空氣供入所述混合單元空氣入口的機(jī)構(gòu)；用于將燃料氣體供入所述混合單元燃料氣體入口的機(jī)構(gòu)；一個(gè)熱交換器，它通過至少一個(gè)傳輸管連到所述燃燒腔，所述熱交換器包括多個(gè)基本垂直于該燃燒腔布置的管子；用于強(qiáng)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(jī)構(gòu)，以使熱量傳到該強(qiáng)制空氣；用于排出高速燃燒產(chǎn)物的機(jī)構(gòu)，它裝到熱交換器上；以及用于控制燃燒率的機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)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(jī)構(gòu)，決定有適宜的燃燒，該機(jī)構(gòu)用于控制與所述燃料氣體供給機(jī)構(gòu)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(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述燃燒空氣供給機(jī)構(gòu)包括一個(gè)控制閥，它可操作地關(guān)閉供應(yīng)給該混合單元的燃燒空氣，所述控制閥連通于所述控制機(jī)構(gòu)，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(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述燃料氣體供給機(jī)構(gòu)包括一個(gè)調(diào)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(diào)節(jié)器位于燃料氣體入口和混合單元之間；一個(gè)控制閥，它位于該調(diào)節(jié)器和混合單元之間，該控制閥連通于所述調(diào)節(jié)器、混合單元以及控制機(jī)構(gòu)，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(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述壓縮機(jī)具有一個(gè)抽吸側(cè)和一個(gè)排出側(cè)，該壓縮機(jī)在抽吸側(cè)連通于所述混合單元，在排出側(cè)連通于噴咀機(jī)構(gòu)，以將帶壓的予混氣供到噴咀機(jī)構(gòu)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述噴咀機(jī)構(gòu)包括一個(gè)圓柱形狀的噴咀，具有點(diǎn)燃帶壓予混氣的機(jī)構(gòu)，并且，所述熱交換器還包括多個(gè)熱交換部，所述多個(gè)管子順次連接該多個(gè)熱交換部，至少其中一個(gè)熱交換部連通于所述傳輸管，另外一個(gè)熱交換部連通于所述排出機(jī)構(gòu)。
7．根據(jù)權(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述熱交換器還包括多個(gè)板片，它們相連于多個(gè)傳輸管子上。
8．根據(jù)權(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述熱交換器包括一個(gè)限定了多個(gè)腔室的熱交換底部；起碼一個(gè)腔室連于所述傳輸管，另一腔室連于所述排出機(jī)構(gòu)，一個(gè)熱交換頂部，它相對(duì)于所述熱交換底部，并與之相通，所述多個(gè)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(jī)構(gòu)流過一個(gè)路。
9．根據(jù)權(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述排出機(jī)構(gòu)包括一個(gè)閥和一個(gè)壓力感測(cè)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(cè)大氣相通。
10．根據(jù)權(quán)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(gè)入口管，該管直徑小于 英寸并與外界大氣相通。
11．根據(jù)權(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述排出機(jī)構(gòu)與燃燒空氣入口結(jié)合，以使所述排出機(jī)構(gòu)留存的熱量被傳到燃燒空氣，該排出機(jī)構(gòu)位于燃燒空氣入口內(nèi)部。該燃燒空氣入口和排出機(jī)構(gòu)在爐子和室外分開。
12．根據(jù)權(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，還包括一個(gè)冷凝液排出系統(tǒng)，其包含一個(gè)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(dāng)有足夠冷凝液積累觸發(fā)該控制閥時(shí)，使該閥打開。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述噴咀機(jī)構(gòu)包括一個(gè)纖維金屬噴咀；用于點(diǎn)燃該燃料氣體和空氣的予混氣的機(jī)構(gòu)；以及感測(cè)火焰的機(jī)構(gòu)。
14.根據(jù)權(quán)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(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述控制燃燒率的機(jī)構(gòu)包括一個(gè)中心控制單元；以及存儲(chǔ)多個(gè)加熱循環(huán)的機(jī)構(gòu)，它與中心控制單元連通，以致該存儲(chǔ)機(jī)構(gòu)向中心控制單元提供信息，以控制燃燒率。
16.根據(jù)權(quán)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(dǎo)致了一個(gè)加速的燃燒率反應(yīng)和更完全的燃燒反應(yīng)，產(chǎn)生非常低的NOx產(chǎn)物。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述控制燃燒率的機(jī)構(gòu)包括一個(gè)第一溫度感測(cè)器，它用于確定外部空氣溫度；一個(gè)第二溫度感測(cè)器，它用于確定室內(nèi)空氣溫度；一個(gè)中心控制單元，它連通于供給燃燒空氣的機(jī)構(gòu)，供給燃料氣體的機(jī)構(gòu)，強(qiáng)制空氣流動(dòng)的機(jī)構(gòu)，排放機(jī)構(gòu)以及第一、二溫度感測(cè)器，從而使噴咀機(jī)構(gòu)的燃燒率和強(qiáng)制空氣流動(dòng)機(jī)構(gòu)的速率根據(jù)外部空氣及室內(nèi)空氣的溫度進(jìn)行變動(dòng)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述熱交換器包括一個(gè)燃燒集合管，它連于所述傳輸管；以及一個(gè)排氣集合管，它連于所述排出機(jī)構(gòu)，所述多個(gè)圓柱狀管子相互連接所述燃燒集合管至所述排出機(jī)構(gòu)。
19.根據(jù)權(quán)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(quán)利要求1的煤氣爐，其特征在于，所述噴嘴機(jī)構(gòu)包括一個(gè)噴射式噴咀；點(diǎn)燃所述燃料氣體和空氣的予混氣的機(jī)構(gòu)；以及感測(cè)火焰的機(jī)構(gòu)。
全文摘要
一種高效煤氣爐以獨(dú)特的預(yù)混合設(shè)計(jì)與帶壓/高速燃燒過程相結(jié)合。燃燒過程在燃燒腔中進(jìn)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(gè)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(fēng)機(jī)強(qiáng)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(gè)建筑或其一個(gè)封閉的部位。
文檔編號(hào)F23D14/34GK1115842SQ9411909
公開日1996年1月31日 申請(qǐng)日期1994年12月15日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:燃燒技術(shù)公司