CN101571315A - 一种容积式燃气热水器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种容积式燃气热水器，属于热水器技术领域。该热水器包括水箱、风机、燃烧器、燃烧换热管路；风机的进风口与大气相通，出风口接送风口；送风口通过第一送风通道与燃烧器连通，同时通过第二送风通道与燃烧换热管路连通；燃烧换热管路至少一部分位于水箱中，一端与燃烧器的出口连通，另一端与大气相通。或燃烧换热管路的另一端与风机的进风口连通；风机的出风口与大气相通。

Description

一种容积式燃气热水器

技术领域

本发明涉及一种燃气热水器，尤其是一种融合容积式燃气热水器和快速燃气热水器优点的燃气热水器，属于热水器技术领域。

背景技术

据申请人了解，目前市场占有率较大的燃气热水器按热水使用方式可分为容积式燃气热水器和快速式燃气热水器。

快速式燃气热水器是一种即开即用的热水加热设备，源于日本，在国内已有数十年的发展，市场普及型产品的燃烧系统为密闭式部分预混燃烧方式，输入功率可达32kw。典型结构如图1所示(图中first是一次风通道，second是二次风通道，changer是换热器，burner是燃烧器，fan是风机，CI是冷水进口，AI是燃气入口，HO是热水出口)，其燃烧系统置于换热器下部，火焰自下往上燃烧，一般使用多个口琴式火排组成燃烧器，日本专利特开平2008-25985，平3-64314，平1-144616，中国专利200720051450，200620011924，93240258，97240226等均对这种结构及其燃烧器做了研究。与此类似的一种加热设备是来自欧洲的燃气壁挂两用锅炉，用于家庭热水供应和采暖，其燃烧系统类似快速式燃气热水器，但有部分高能效产品已采用全预混燃烧系统。

密闭式部分预混燃烧系统所述的“密闭”，是指自空气入口至烟气出口为一单连通通道，燃烧系统有且仅有一个空气入口。与之对应的一种传统燃烧方式是非密闭燃烧系统。非密闭系统将燃烧器置于大气中，一般没有风机或风机置于系统末端，利用冷热空气的密度差或风机的抽吸产生压头，在燃烧室内形成微负压，将燃烧所需的空气自然吸入燃烧室。密闭燃烧系统一般处于湍流燃烧状态，燃烧强度大，非密闭燃烧系统则处于层流燃烧状态。所以，在同等燃烧室体积和工作环境下，非密闭燃烧系统的输出功率小于密闭燃烧系统。

部分预混燃烧通常是指，系统将风机提供的助燃空气分为两部分，一部分直接进入燃烧器，称为一次风；另外一部分自燃烧器外部的通道进入燃烧室，称为二次风。一次风和进入燃烧器的燃气均匀混合，称为预混气体。当预混气体内空气不足以支持燃料的完全燃烧时，预混气体中的一部分燃料首先在燃烧器出口处燃烧，形成内焰，剩余未燃燃料依靠扩散过程与二次风混合燃烧，形成外焰。如果提供的二次风仍不足以支持燃气在燃烧室内完全燃尽，则会导致CO等污染物排放量高。通常的产品设计中，为控制此类部分预混燃烧系统的CO等污染物排放水平，必须提供远大于理论所需的空气量，即过量空气系数需远大于1，通常设计的过量空气系数高达1.8到2.5(即比理论需要的空气量多提供80％到150％)。然而，过量的空气提高了对风机的要求，使系统燃烧噪音增大，换热效率降低。

与部分预混燃烧系统对应的是全预混燃烧系统，它被普遍认为是一种比较先进的燃烧方式。全预混燃烧系统将燃气和助燃空气在燃烧器前完全混合，一般将过量空气系数控制在1.2-1.5。混合气从燃烧器喷出后迅速燃尽，燃烧速度快，污染物排放水平低。然而这种燃烧之前就将燃气-助燃空气完全混合的方式，具有很大的安全风险。一般而言，在预混气体中燃料与空气的配比越接近化学当量比，发生回火的可能性也越大，回火不仅破坏正常燃烧，还会烧坏设备，甚至引起爆炸，给设备和人身安全带来威胁。另外，一种典型的预混方式是在风机前端设置燃气引入装置，使燃气和空气在风机内混合，这种混合方式对风机要求很高，风机若不能很好密封或不能有效屏蔽静电，则混合气的轻微泄漏或微小火源都会引起燃烧，最终导致爆炸，而满足密封和防静电要求的风机往往成本很高。因此，保证系统安全性和降低成本成为全预混燃烧系统面临的重大课题。

容积式燃气热水器源于美国。通常，该种热水器容积在200L以上，以满足浴缸等大水量需求，更符合人们日益提高的用水需求，但其庞大的体积不适于居住面积较小的用户安装，中国人的居住条件限制了其在国内的发展。因此，如何在减小水箱体积的情况下增加有效热水供应量称为亟待解决的课题。

容积式燃气热水器常用燃烧系统是全预混燃烧系统和非密闭式部分预混燃烧系统。采用全预混燃烧系统的容积式热水器如前所述，也具有安全性差和成本高两个缺陷。采用非密闭式部分预混燃烧系统的容积式热水器一般使用铸铁圆盘式燃烧器，由于非密闭燃烧系统的固有特性，采用这种燃烧方式的容积热水器一般输出负荷较小，一次用水完毕后，需要1小时以上才能恢复。一旦加大这种燃烧器的输入功率，就需要更多的助燃空气和更大的燃烧室，显然超出了这种自发的空气补充方式的能力范围。

综上所述，设计开发一种综合快速式和容积式燃气热水器优点的燃气热水器，是值得研究的课题。专利号200720080101的中国专利尝试设计一种兼具快速式燃气热水器“快速连续供应热水”和容积式燃气热水器“恒温出水”的双重优点，又具有较大的储存和调节能量的能力的燃气热水器。专利号200410024980的中国专利也在这方面做了尝试。然而，这两种方法均是容积式热水器和快速燃气热水器的简单叠加，在技术上没有突破，系统复杂，体积也较大，不适合小户型用户使用。

另一方面，在燃气热水器研究领域，普遍认为不论容积式还是快速式，全预混燃烧均是一种比较先进的燃烧方式，只有采用全预混燃烧系统才能达到低过量空气系数下的低污染物排放和高能效。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述现有技术存在的问题，突破原有的认为全预混燃烧方式是解决低过量空气系数下的低污染物排放和高能效的唯一办法的思维定势，研究出一种采用部分预混燃烧系统的容积式燃气热水器，其输入功率大、恢复时间短、体积小、安全性好，兼有过量空气系数小、热效率高、污染物排放量低等特点。

本发明的容积式燃气热水器方案之一是：包括水箱、风机、燃烧器、燃烧换热管路；其特征在于：所述风机的进风口与大气相通，出风口接送风口；所述送风口通过第一送风通道(一次风通道)与所述燃烧器连通，同时通过第二送风通道(二次风通道)与燃烧换热管路连通，构成风机进风口至燃烧换热管路的全密闭通道；所述燃烧换热管路至少一部分位于水箱中，一端与燃烧器的出口连通，另一端与大气相通。

本发明的容积式燃气热水器方案之二是：包括水箱、风机、燃烧器、燃烧换热管路；其特征在于：送风口通过第一送风通道(一次风通道)与所述燃烧器连通，同时通过第二送风通道(二次风通道)与燃烧换热管路连通；所述燃烧换热管路至少一部分位于水箱中，一端与燃烧器的出口连通，另一端与所述风机的进风口连通，构成送风口至风机出风口的全密闭通道；所述风机的出风口与大气相通。

本发明进一步的完善是所述燃烧换热管路由燃烧室和换热管路构成，所述燃烧器通过燃烧室接换热管路。具体设计时，既可以燃烧室置于水箱外、换热管路位于水箱中，也可以燃烧室与换热管路全部位于水箱中。

本发明的热水器工作时，部分空气形成一次风，通过第一送风通道送入燃烧器后与燃气混合，混合气从燃烧器出口进入燃烧室并燃烧，形成火焰内焰；另一部分空气形成二次风，通过第二送风通道进入燃烧室，与一次风未燃尽的燃气燃烧，形成火焰外焰。燃气在燃烧室内完全燃烧产生高温烟气，高温烟气在燃烧换热管路内与水箱中的水进行换热，高温烟气温度降低后最终排入大气。

本发明的有益效果在于：

1.本发明通过将普遍应用于快速式燃气热水器的燃烧系统和应用于容积式燃气热水器的水箱和换热系统有机结合，发明出一种适合中国人居住条件的容积式燃气热水器。

2.本发明所提出的这种有机结合方式突破了原有的思维定势，开辟了一种新的设计思路。目前的燃气热水器研究人员普遍认为较低的过量空气系数和较少的污染物排放是一对矛盾体，唯一的解决方案是采用全预混燃烧方式，然而本发明则采用了上述密闭式部分预混燃烧方式，解决了低过量空气系数下降低污染物排放的难题。

3.本发明所提出的燃气热水器和传统容积热水器通过小功率燃烧器的长时间工作积累能量的方式不同，采用了大功率燃烧器，当用户用水量小时，可以实现不间断供水；当用户用水量大时，水箱内储存的热水可以补充燃烧器功率的不足。因此，这种热水器的体积比传统容积式热水器小，便于安装，使小户型用户也可使用容积式燃气热水器。

4.本发明所提出的燃气热水器具有过量空气系数小、污染物排放低的特点。通过采用上述已成熟应用的密闭式部分预混燃烧系统，并设置合理的燃烧换热管路结构，增加燃烧室体积，使得混合气体在燃烧室内的停留时间增加，燃烧更加充分，即使在较小的过量空气系数下，系统各主要性能参数如热效率和CO排放等可达到全预混燃烧系统水平。

5.本发明所提出的燃气热水器具有安全性好、成本低的特点。部分预混燃烧系统所用燃烧器内燃气浓度高于该燃气在空气中的爆炸上限，有效确保了系统的运行安全性，相对于全预混燃烧系统，该系统爆燃、回火的概率很小。另外，由于系统不需要在风机内部进行燃气-空气的混合，对风机的性能要求大幅降低，也达到了降低系统总体成本的目的。

综上所述，本发明和已有技术相比，解决了低过量空气系数下的低污染物排放和高能效的问题，研究出一种采用部分预混燃烧系统的容积式燃气热水器，其输入功率大、恢复时间短、体积小、安全性好，且过量空气系数小、热效率高、污染物排放量低。具有突出的实质性特点和显著的进步。

附图说明

图1为现有燃气快速式热水器的工作原理图。

图2为本发明实施例一的结构示意图。

图3为图2中A-A方向的局部剖视图。

图4为图3的立体局部剖视图。

图5为本发明实施例二的结构示意图。

图6为本发明实施例三的燃烧系统结构剖面图。

图7为本发明实施例四的结构示意图。

图8为本发明与现有同类产品的产热水能力对比图表。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的若干实施例进行详细说明。

实施例一

图2至图4为本发明的典型实施例。由以上附图可以看出，本实施的容积式燃气热水器包括：水箱1、风机2、燃烧器3、燃烧换热管路4。燃烧换热管路4由燃烧室41和换热管路42构成。燃烧器3有一组多个口琴式火排组成。换热管路42由中部的主管和连通并围绕主管的螺旋管构成，燃烧室41通过缩径锥管与主管连通。

风机2的进风口25与大气相通，出风口21接送风口22；送风口22通过第一送风通道23(参见图3)与燃烧器3连通，同时通过第二送风通道24与燃烧室41连通，第二送风通道起始于位于进风口和燃烧室之间的二次风板242，通过燃烧器火排之间的间隙241与燃烧室41连通，构成风机进风口至燃烧换热管路的全密闭通道。燃烧换热管路4位于水箱1中，一端与燃烧器3的出口连通，另一端与大气相通。

本实施例的燃烧系统为部分预混燃烧系统。该系统的优势在于，燃烧所需的助燃空气分为两部分进入燃烧室41，且该种燃烧方式为密闭燃烧，即燃烧系统为单连通区域，仅有一个送风口22和一个排烟口。这种部分助燃空气先和燃气混合，进入燃烧室后再和二次风混合燃烧的方式，比全预混燃烧系统具有更高的安全性，因为：

通常，燃气在空气中的浓度低于某一极限时，氧化反应产生的热量不足以弥补散失的热量，使燃烧不能进行，此浓度极限称为爆炸下限L_low；当其浓度超过某一极限时，由于缺氧也无法燃烧，此浓度极限称为爆炸上限L_high，统称爆炸极限L，即：

L＝V_gas/(V_air+V_gas)；......  (1)

其中V_gas为燃气的体积，V_air为空气的体积。

为了使燃烧正常进行，需保证燃气浓度在爆炸上限与爆炸下限范围内。本发明中，由于采用了一次风和二次风分离的结构，可以使燃烧器内的燃气浓度大于爆炸上限，即在燃烧器内，燃气浓度大于燃烧室的燃气浓度。在燃烧室内，由于二次风的加入，混合气浓度进入爆炸极限，不会影响燃烧的正常进行。而全预混燃烧系统如前所述，极易爆炸，所以这种结构提高了系统的安全性。

特别地，甲烷在常温常压空气中的爆炸上限为15％，则对采用甲烷燃料的所述热水器，其燃烧器内的燃气浓度需大于15％。

燃气燃烧时，按照反应计量方程式完全燃烧1m³燃气所需的空气量称为理论空气需要量V₀，在实际燃烧装置中，如果只按理论空气需要量供给空气，很难保证燃气与空气充分混合，空气中的氧不能完全参与反应，会造成燃烧不完全。所以实际的空气供应量一般都大于理论空气需要量。把实际供给的空气量V与理论空气需要量V₀之比定义为过量空气系数α，即

α＝V/V₀；......  (2)

对烃类燃料C_nH_m，理论空气需要量V₀和参与反应的燃料量V_gas之间的关系是：

V₀＝(n+0.25m)/0.21V_gas；......(3)

本发明所采用的过量空气系数α小于1.3，该值和目前常见的全预混式燃烧系统处于同一水平。研究发现，该值确保了系统的高换热效率，且污染物排放水平低，特别是CO值，在额定负荷下小于50PPM。相对地，若将相同的燃烧系统应用于快速式燃气热水器，其CO值一般高于100PPM，且过量空气系数大于2。因此，对比快速式燃气热水器，这种燃烧系统在容积式燃气热水器中的应用是很大的进步。

对比非密闭的部分预混燃烧系统，上述系统的优势在于：过量空气系数降低40％，CO排放也有很大程度的降低。在水箱容积接近的情况下，上述系统输入功率可达30kw，而传统非密闭部分预混燃烧系统一般只有20kw。更高的输入功率确保了热水器的恢复时间，为用户提供了大水量用水的可能性。或者在接近的供水能力下，缩小了热水器的体积，扩大了容积式燃气热水器的使用范围。

对比全预混燃烧系统，上述系统的优势在于：安全性更好，成本降低了50％以上。

下表显示了本实施例的一个典型工作参数和普通容积式热水器、快速式热水器及全预混燃烧系统的对比。结果显示，本发明在燃烧效果上可达到全预混燃烧系统水平，对比普通快速式热水器和普通容积式热水器均有很大改善。

图8显示了本实施例和对应产品的产热水能力对比。以本实施例输入负荷26kw，水流量10L/min，容积80L为基准，对比一台输入负荷26kw的快速机(25度温升条件下供水量13L/min)和一个80L容量，输入功率20kw的容积式热水器。图中ABCD线为传统80L容积热水器的放水曲线，该热水器以10L/min的流量可以放水8分钟，热水温升40℃，然后以25℃温升持续放水；ABEFG线为容量80L的本实施例的放水曲线，该热水器先以10L/min的流量放水10分钟，然后可以以36℃温升持续放水，即类似于一个快速热水器；HI线为一13升快速机的放水曲线，它只能以32.5℃温升持续放水，线FG与线HI的高度差是由本实施例与所述13L快速机的效率差异导致的。由图可见，本实施例对比相当容量的容积式燃气热水器和对比相当输入功率的快速热水器均有优势，结合了容积式热水器储水箱和快速式热水器大功率的优点，具有明显优势。

实施例二

图5所示为本发明的实施例二，其基本结构与实施例一相同，送风口22通过第一送风通道23与燃烧器3连通，同时通过第二送风通道24与燃烧室41连通；燃烧换热管路4至少一部分位于水箱中，一端与燃烧器3的出口连通，不同之处在于：燃烧换热管路4的另一端与风机2的进风口25连通，构成送风口22至风机出风口21的全密闭通道，风机2的出风口21与大气相通。由于风机2置于燃烧换热管路4之后，工作时造成系统内部负压，空气自送风口22被吸入，烟气则从风机2的出风口21被排出。这种负压结构进一步提高了系统的安全性，防止有害烟气进入燃烧器的非工作区域。

实施例三

图6所示为本发明实施例三的燃烧系统示意图。本实施例除燃烧系统外其余部分与实施例一相同，不另赘述。该燃烧系统采用圆柱形燃烧器3。该实施例的有点在于，燃烧器3的结构比实施例一的口琴式火排燃烧器简单，系统仅需一个燃烧器，燃烧器长度可随负荷大小而变化，当负荷增大时增加燃烧器的长度，同时增加对应的燃烧室的长度即可。燃气管路26位于燃烧器3前端，出口位于燃烧器3的中线上，沿燃烧器3的中线将燃气喷入。

实施例四

图7所示为本发明的实施例四，其基本结构与实施例一本质上相同，其燃烧系统可参见图2、图3。风机2的进风口25与大气相连，出风口21接送风口22；送风口22通过第一送风通道23与燃烧器3连通，同时通过第二送风通道24与燃烧室41连通，第二送风通道起始于二次风板242，通过燃烧器火排之间的间隙241与燃烧室连通；燃烧换热管路4位于水箱1中，一端与燃烧器3的出口连通，另一端与大气相通。其特别之处在于，燃烧换热管路4由水平安置的燃烧室41和换热管路42组成，其中换热管路42由主管和连通主管的Z型弯管构成。本实施例由于水箱1水平放置，因此其余部件也随之水平放置。该实施例的优点在于，水平放置的结构非常贴近小户型用户的使用习惯，热水器可以挂于墙壁上，安装空间大大节省。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种容积式燃气热水器，包括水箱、风机、燃烧器、燃烧换热管路；其特征在于：所述风机的进风口与大气相通，出风口接送风口；所述送风口通过第一送风通道与所述燃烧器连通，同时通过第二送风通道与燃烧室连通，构成风机进风口至燃烧换热管路的全密闭通道；所述燃烧换热管路至少一部分位于水箱中，一端与燃烧器的出口连通，另一端与大气相通。

2.一种容积式燃气热水器，包括水箱、风机、燃烧器、燃烧换热管路；其特征在于：送风口通过第一送风通道与所述燃烧器连通，同时通过第二送风通道与燃烧室连通；所述燃烧换热管路至少一部分位于水箱中，一端与燃烧器的出口连通，另一端与所述风机的进风口连通，构成送风口至风机出风口的全密闭通道；所述风机的出风口与大气相通。

3.根据权利要求1或2所述的容积式燃气热水器，其特征在于：所述燃烧换热管路由燃烧室和换热管路构成，所述燃烧器通过燃烧室接换热管路，所述换热管路位于水箱中。

4.根据权利要求3所述的容积式燃气热水器，其特征在于：所述燃烧器由一组口琴式火排组成。

5.根据权利要求3所述的容积式燃气热水器，其特征在于：所述燃烧器为圆筒式燃烧器。

6.根据权利要求4所述的容积式燃气热水器，其特征在于：所述第二送风通道起始于位于进风口和燃烧室之间的二次风板，通过燃烧器火排之间的间隙与燃烧室连通。

7.根据权利要求6所述的容积式燃气热水器，其特征在于：所述换热管路由中部的主管和连通并围绕主管的螺旋管构成，所述燃烧室通过缩径锥管与主管连通。

8.根据权利要求7所述的容积式燃气热水器，其特征在于：所述换热管路由主管和连通主管的Z型弯管构成。

9.根据权利要求5所述的容积式燃气热水器，其特征在于：所述燃烧器中，燃气管路位于燃烧器前端，出口位于燃烧器的中线上。

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