CN101806457A - 完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器 - Google Patents

Abstract

完全预混式金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器，采用金属合金材料作为燃气燃烧红外辐射载体，三角形状的燃烧火孔按等螺距线规律紧密均匀分布组成燃烧面层，均匀紧密的多孔网格组成绕流、防回火层，两者焊接构成燃烧器的头部。完全预混空气-燃气混合装置由内预混腔、内腔引射器、外预混腔、外腔引射器、气流分流挡板组成，完全预混空气-燃气混合装置为燃烧器头部提供浓度均匀的全预混可燃气体。两者装配组成全预混式红外辐射燃烧系统。采用上述技术方案后，燃气燃烧完全，燃烧效率高，能达到高的热负荷，燃烧后的烟气中CO、NO_x排放少，燃烧稳定，不回火不脱火，同时加工制造方便，使用寿命高。

Description

完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器

所属技术领域

本发明涉及燃气设备和燃气用具技术领域，特别涉及一种用于燃气灶具，燃气热水器燃烧器上以金属纤维为辐射载体，完全预混表面燃烧式，高效率、低排放的红外辐射燃烧器，同时燃烧器适应的燃气介质范围广：天然气、液化石油气、人工煤气、沼气均可适用。

背景技术

目前，在燃烧器具市场上占95％以上的燃气灶具采用大气式燃烧器，大气式燃烧是部分预混燃烧，其通过引射器引射的一次空气系数(α＜1)小于燃烧需要的空气量，部分预混的燃气通过火孔流出，通过对流扩散的方式与空气进行二次混合，达到正常的燃烧。这种燃烧加热方式为对流加热，燃烧容易受到外界的影响，如阴天、潮湿、低气压都会影响到正常的燃烧，尤其遇到风吹就更加影响到正常燃烧。而且它是火焰方式的燃烧，只要物体放上去就会改变它的燃烧方向，造成热物理损失。同时它是通过二次空气的扩散对流混合，混合不均匀，造成燃烧不充分，出现红火，烟气中CO含量高，甚至出现熏锅现象即燃烧产生游离碳，造成化学热损失。因此，大气式燃烧效率低，燃烧不充分时，烟气中的CO含量高。由于一次空气系数α＜1，在火焰蓝色锥体上由于燃料过浓产生大量的快速型NO(P-NO)，同时大气式燃烧器的火孔热强度高，在燃烧火孔处产生局部高温，空气中的N₂在高温下被氧化成NO，产生热力型NO(T-NO)。因此，大气式燃烧效率低，燃烧不完全，烟气中NO_x和CO含量较高。

近年来，人们为了提高燃气灶具的热效率，减少烟气中NO_x，CO的排放，开发了完全预混红外辐射燃烧器。完全预混式燃气灶具一次空气系数α≥1，着火前燃气与空气预先完全混合，在瞬间完成燃烧，其火焰很短甚至看不见，称为无焰燃烧或表面燃烧。完全预混燃烧不需要次空气补充，并且能够在很小的过剩空气系数下达到完全燃烧，几乎不存在化学不完全燃烧现象，完全预混燃烧空气系数α≥1，不产生P-NO，同时由于燃烧均匀，不产生局部高温，燃烧在瞬间完成，烟气在高温区停留时间短，可以降低T-NO的生成。无焰燃烧无明火焰，锅具可以较近的靠近燃烧面，可以提高辐射热效率。但是，完全预混可燃物是种爆炸性气体，其火焰传播能力很强，燃烧火焰稳定性很差，很容易发生回火。目前，多孔陶瓷板红外辐射燃气灶的市场占有率很低，多采用多孔陶瓷板作为燃烧器。长期以来，多孔陶瓷板共同存在的问题是：加工制作困难，工艺复杂，陶瓷板基质材料稳定性差，机械强度低，开孔率低，工艺标准难度大，与金属外壳结合密封性差，在使用过程中常常出现多孔陶瓷板的炸裂和风化，造成回火，使用寿命低。这些问题的存在制约了红外线燃气灶的发展和应用。

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种黑度系数大，耐高温，耐腐蚀以金属纤维为红外辐射载体的表面燃烧、完全预混式红外辐射燃烧器。无焰燃烧辐射出2.0μm至3.0μm的红外线，不回火，燃烧稳定。应用于燃气灶具上达到高效节能，环保健康，卫生洁净不熏锅，安全可靠的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种以金属合金材料作为红外辐射载体，采用完全预混式空气-燃气混合装置与其连接组成燃烧器，制作工艺简单，标准化程度高，红外辐射载体开孔率高，能承受热负荷高，机械强度高，不风化，不炸裂，燃烧稳定，不回火，应用于燃气灶具上的完全预混式金属纤维表面燃烧红外辐射式燃烧器。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：一种完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器，由金属合金材料作为辐射载体的燃烧器头部和完全预混空气-燃气混合装置组成，其特征在于：燃烧器的头部由按等螺距线均匀分布的三角形截面燃烧通道组成的燃烧辐射面层和30目/in以上的网格状的气流绕流、防回火层组成，燃烧面层和绕流、防回火层通过焊接的方式组成一个整体，构成燃烧器的头部；完全预混空气-燃气混合装置由内预混腔、外预混腔、气流分流挡板、内腔引射器、外腔引射器组成；燃烧器头部安装在空气-燃气预混装置上，通过内、外腔封盖封住密封，组成完整的燃烧系统。

所述的燃烧器头部由燃烧面层和网状的绕流、防回火层组成。燃烧面层厚度为H＝8mm至12mm，燃烧的火孔截面形状为三角形，三角形的三个顶角有倒圆弧，截面的面积为S＝2.0mm²至3.4mm²，三角形状的燃烧火孔按等螺距螺线规律均匀紧密的分布，燃烧的火焰面位于从燃烧层表面至燃烧面以下3mm左右区域内稳定燃烧，加热金属纤维表面至赤红状态，激发金属材料辐射出波长为λ＝2.0μm至3.0μm波段的红外线，对外辐射热量；燃烧面层与金属网层紧密的焊接在一起，金属网层为30目/in至150目/in，其小孔远小于燃烧的火孔，根据流体力学原理，气流通过窄截面的速度大于宽截面的速度，气流通过网层的速度大于气流在燃烧通道中的速度，火焰燃烧的速度等于燃烧火孔中气体流动的速度，使完全预混的燃料稳定在燃烧面层火孔中稳定的燃烧，解决了燃烧中动态回火的问题。

所述的完全预混式空气-燃气混合装置由内预混腔、外预混腔、气流分流挡板、内腔引射器、外腔引射器组成。内外腔引射器的设置把燃气分配成大小两个喷嘴喷射燃气，比使用单个引射器大大的减少了引射器的尺寸，使气体的混合更加均匀。所述的引射器为常压吸气低压引射器，它由吸气收缩管、喉部、混合管、扩压管组成，通过高速燃气引射动量交换作用，把喷嘴喷出的高速燃气，转化为燃烧器头部所需的预混燃气的静压力。内腔引射器引射气体至内预混腔，外腔引射器引射气体至外预混腔，内腔引射器设置在燃烧器的中间位置，外腔引射器设置在内腔引射器的左边或右边，两个引射器的中轴线在同一水平面上，在外腔引射器的扩压口出口处设置一个气流分流挡板，由于外腔腔体比较大，引射器扩压管喷出的气体通过气流分流挡板作用，使外预混腔上气体浓度场分布均匀，在燃烧时不产生燃烧面亮暗不均匀的现象。内腔引射器引射的气体质量流量比外腔小，不设置分流挡板，设置一个大的管截面，使扩压管流出的气体从小截面流到大截面，进一步把气体的动能转化为燃烧器头部所需的静压能。

所述的完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器，由燃烧器头部与完全预混式空气一燃气混合装置组成，两者装配后通过内封盖和外封盖密封、固定，组成红外辐射式表面燃烧系统，两者相辅相成，不可分割。只有完全预混的气体在预混腔内提供足够的静压能，克服燃烧器头部燃烧孔的流动阻力，同时燃烧孔内气流的速度等于燃烧火焰传播的速度，才能真正达到表面无焰燃烧的效果，而不在燃烧器的表面出现蓝火焰或回火、脱火。

本发明与现有的技术相比优点如下：

1、采用金属合金材料作为燃烧红外辐射载体与多孔陶瓷板相比，机械强度高，加工制造方便、工艺标准化高，，不风化，不炸裂，使用寿命长，维护方便，开孔率高，能达到高的热负荷。

2、燃烧器头部绕流、防回火层的设计解决了大导热系数材料作为燃烧红外辐射载体燃烧稳定问题。多孔陶瓷板的导热系数为0.4W/(m×K)，金属纤维材料导热系数达到17W/(m×K)，导热系数是多孔陶瓷板的44倍，燃烧器头部绕流、防回火层使预混腔中的气体均匀的流动，均匀冷却了整个燃烧器头部底部，同时加热了预混腔中的气体，强化了燃烧，这样连续稳定的过程形成稳定的温度梯度场。经实验测试，稳定燃烧后燃烧器头部底面温度小于400℃，低于预混气体的着火温度，因此不发生热力回火。绕流、防回火层采用低于30目/in的均匀网格，单个网格的截面积远小于燃烧火孔的面积，根据流体力学原理，通过网格处的气流速度大于燃烧孔内的气流速度，因此不发生动态回火。燃烧器头部燃烧稳定问题的解决，使金属材料作为红外辐射载体代替多孔陶瓷板成为现实。

3、采用完全预混合式空气-燃气混合装置与燃烧器头部结合相成高效、节能、燃烧完全的表面红外线辐射式燃烧系统。实验测试表明：用于燃气灶具上，燃烧器的热负荷可达到3.5kW，高于国家标准3.0kW的指标，烟气中CO的排放小于100PPM，远低于国家标准500PPM的指标，热效率达到60％以上，高于国家标准50％的指标10％以上。完全预混式燃烧有大气式燃烧不可比拟的优势，在能源紧缺的今天，在国家节能减排政策的指导下，这种燃烧系统的开发成功将带来显著的经济效益。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是燃烧器主剖视图

图2是燃烧器的俯视图

图3是燃烧器头部的局部放大图

图4是燃烧器头部燃烧面层的俯视图

图5是燃烧器头部燃烧火孔分布轨迹图

图6是燃烧器头部绕流、防回火层俯视图

图7是全预混式空气燃气混合装置主剖视图

图8是全预混式空气-燃气混合装置俯视图

图9是第二实施例燃烧器主剖视图

图中1.燃烧面层，2.绕流、防回火层，3.外预混腔，4.气流分流挡板，5.内预混腔，6.内封盖，7.内腔密封环，8.外封盖，9.外腔引射器，10.内腔引射器，11.引射器收缩管，12.引射器喉部，13.引射器混合管，14.引射器扩压管。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

第一实施例：

在图1、2中，燃烧器的头部包括：燃烧面层(1)、绕流、防回火层(2)两者通过焊接组成一个整体。如图3所示，燃烧面层(1)厚度为8mm至12mm，燃烧火孔截面形状为三角形，三角形三个顶角有倒圆弧结构，如图(4)所示。火孔的截面面积为2mm²至3.4mm²，三角形状火孔按等螺距螺线规律紧密分布，其分布规律如图(5)所示。绕流、防回火层(2)为30目/in至150目/in的均匀金属网格构成，如图6所示。整个燃烧器的头部表面为平面型。如图(7)、(8)所示，完全预混式空气-燃气混合装置包括：外预混腔(3)、气流分流档板(4)、内预混腔(5)、内腔密封环(7)、外腔引射器(9)、内腔引射器(10)内引射器引射气体到内预混腔，外引射器引射气流到外预混腔。内预混腔(5)为一个单环腔结构，为两段不同直径的环形结构组成，当引射的气流从扩压管流出，在小直径环形腔段进一步混合，再通过大直径腔段，混合的气流进一步把动能转化为静压能，提供燃烧器头部所需的静压力，内引射器安装在内预混腔的中部。燃烧器头部安装在混气装置上后，通过内腔密封环(7)把内外腔气体隔离。外预混腔(3)也为一个单环腔结构，外腔引射器(9)安装在环形腔对称面的左边或右边，外引射器的扩压管出口设置一个气流分流挡板(4)，使外预混腔上气体浓度场分布均匀，在燃烧时不产生燃烧面亮暗不均匀的现象。如图(8)所示，引射器由吸气收缩管(11)、喉部(12)、混合管(13)、扩压管(14)组成。燃烧器头部与完全预混式空气-燃气混合装置装配后通过内封盖(6)和外封盖(8)密封、固定，组成燃烧系统。

第二实施例：

如图(9)所示，燃烧器头部表面为弧型结构，弧型结构更能适应尖底的锅具，其他结构与第一实施例相同。

Claims (7)

1.用于燃气用具和燃气设备上的完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器，其特征是：由金属合金材料作为红外辐射载体的燃烧器头部和完全预混空气-燃气混合装置组成；燃烧器头部由燃烧面层(1)和绕流、防回火层(2)通过焊接组成；完全预混式空气-燃气混气装置由外预混腔(3)、气流分流挡板(4)、内预混腔(5)、内腔密封环(7)、外腔引射器(9)、内腔引射器(10)组成；燃烧器头部与混气装置由内封盖(6)和外封盖(8)密封、固定。

2.根据权利要求1所述的完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器，其特征是：燃烧面层由金属合金材料制成，燃烧面层的厚度为8mm至12mm，燃烧火孔截面形状为三角形，三角形三个顶角有圆弧过渡，火孔截面积为2mm²至3.4mm²，三角形状火孔按等螺距螺线规律紧密均匀分布。

3.根据权利要求1所述的完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器，其特征是：绕流、防回火层为30目/in至150目/in的金属网格制成，与燃烧面层焊接组成燃烧器头部。

4.根据权利要求1所述的完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器，其特征是：完全预混空气-燃气混合装置，内腔引射器引射气体至内预混腔，内预混腔为一个单环腔结构，山两段不同直径的环形结构组成，外腔引射器引射气体至外预混腔，引射器扩压管出口处设置气流分流档板使预混腔内的气体浓度场达到均匀，引射器由吸气收缩管、喉部、混合管、扩压管组成。

5.根据权利要求1所述的完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器，其特征是：燃烧器头部与完全预混空气-燃气混合装置装配在一起，由内封盖和外封盖固定、密封配合出的缝隙，组成完整的完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器。

6.根据权利要求1所述的完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器，其特征是：燃烧器头部表面形状是平面型的。

7.根据权利要求1所述的完全预混金属纤维表面燃烧红外辐射式燃气燃烧器，其特征是：燃烧器头部表面形状是弧面型的。

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