CN101949588B - 大功率容积式燃气热水器燃烧系统及其燃烧方法 - Google Patents

Abstract

大功率容积式燃气热水器燃烧系统及其燃烧方法，包括空气接收口和烟气出口，从空气接收口至烟气出口的通道为单一连通通道，在该单一连通通道内设置有：至少一个燃烧器，燃烧器内设置有将空气引入燃烧器中与该燃烧器内的燃气产生一次混合气体的一次风道，供该至少一个燃烧器的一次混合气体燃烧产生一次火焰的至少一个一次燃烧空间，导风方向指向各一次燃烧空间的外围的二次风道，供二次风道的风对一次火焰进行助燃的二次燃烧空间，其特征在于，在该单一连通通道内还设置有导风方向指向全部二次燃烧空间的外围的补风通道，补风通道内设置有配风装置。该方法在较小的风量下就能保证燃气的完全燃烧，并且燃烧稳定，燃烧振动区域相比现有技术明显减小。

Description

大功率容积式燃气热水器燃烧系统及其燃烧方法

技术领域

本发明涉及燃气热水器燃烧系统及其燃烧方法。

背景技术

容积式燃气热水器常用的燃烧系统是非密闭式部分预混燃烧系统，这种燃烧系统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空间，显然超出了这种自发的空气补充方式的能力范围。

而快速式燃气热水器常用的燃烧系统为密闭式部分预混燃烧系统，这种燃烧系统一般置于翅片管式换热器的下部，火焰自下往上燃烧，使用多个口琴式燃烧器组成燃烧器组件，日本专利特开平2008-25985，特开平3-64314，特开平1-144616，中国专利200720051450，200620011924，93240258，97240226等均对这种燃烧系统做了研究。由于这种密闭式的燃烧系统从空气接收口至烟气出口为单一连通通道，燃烧系统仅有一个空气接收口，且一般利用风机进行鼓风燃烧，因此火焰一般处于湍流燃烧状态，燃烧强度更大，在同等燃烧空间体积和工作环境下，密闭燃烧系统的输出功率远大于非密闭燃烧系统。因此，近年来已出现了将这种燃烧系统在容积式燃气热水器上的应用，如中国专利：CN1873343A，CN101571315A等，以减短容积式燃气热水器的恢复时间。

但是，这类容积式燃气热水器一般采用铸铁盘管浸入水箱作为换热系统，盘旋弯曲的盘管内部为烟气流道，因此烟道阻力很大，而又因为其部分预混燃烧系统的固有特性，产品设计中，为了控制其CO等污染物排放水平，必须提供远大于理论燃烧所需的空气量，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％)，因此这种系统对风机能力的要求很高。并且一旦需要增加换热面积以提高热效率时，就必须加长铸铁盘管，这样提供燃烧所需空气的风机因为静压的增加导致风量就会降低，从而会引起燃烧不完全而CO升高。这种情况下一般需要降低燃烧负荷以保证系统的燃烧工况，但燃烧负荷的减低就意味着容积式燃气热水器的恢复时间的增长，而如果采用更大能力的风机来保证完全燃烧不仅会导致系统成本的增加，而且这种系统在大风量燃烧的情况下，试验发现很容易就产生燃烧振动等不稳定燃烧，导致系统的安全隐患。

发明内容

针对以上出现的问题，本发明的目的在于提供一种大功率容积式燃气热水器燃烧系统，这种燃烧系统在较小的风量下就能保证燃气的完全燃烧，并且燃烧稳定，燃烧振动区域相比现有技术明显减小。

为实现所述目的，本发明的一种大功率容积式燃气热水器燃烧系统，包括空气接收口和烟气出口，从空气接收口至烟气出口的通道为单一连通通道，在该单一连通通道内设置有：至少一个燃烧器，燃烧器内设置有将空气引入燃烧器中与该燃烧器内的燃气产生一次混合气体的一次风道；供该至少一个燃烧器的一次混合气体燃烧产生一次火焰的至少一个一次燃烧空间；导风方向指向各一次燃烧空间的外围的二次风道；供二次风道的风对一次火焰进行助燃的二次燃烧空间；其特点是，在该单一连通通道内还设置有导风方向指向全部二次燃烧空间的外围的补风通道，补风通道内设置有配风装置。

带补充风通道的燃烧系统由于补充风对二次火焰起到包围导流作用，有效防止了火焰在大空间里出现回流而导致燃烧振荡，并且由于单个燃烧器负荷的增加以及燃烧器一、二次空气的减少，使得燃烧火焰更加稳定，不容易出现脱火、回火以及振动燃烧的现象。

所述的大功率容积式燃气热水器燃烧系统，其进一步的特点是，所述燃烧器为口琴式燃烧器。

所述的大功率容积式燃气热水器燃烧系统，其进一步的特点是，所述补风通道最小宽度为一个所述燃烧器的宽度。

所述的大功率容积式燃气热水器燃烧系统，其进一步的特点是，所述配风装置为孔板。所述的大功率容积式燃气热水器燃烧系统，其进一步的特点是，孔板具有均匀分布的均风孔。

配风装置有利于防止回火现象发生。

所述的大功率容积式燃气热水器燃烧系统，其进一步的特点是，该空气接收口连接风机，该烟气出口连接热交换盘管。

风机抽取的空气分别从一次风道、二次风道、补风通道进入燃烧空间，使得燃气在燃烧空间充分燃烧，充分燃烧后的燃气形成热的烟气从烟气出口进入到热交换盘管。

本发明的一种大功率容积式燃气热水器燃烧系统的燃烧方法，在空气接收口至烟气出口为单一连通通道的环境内利用至少一个燃烧器进行燃烧，包括以下步骤：将空气引入燃烧器中与该燃烧器内的燃气进行混合，形成一次混合气体；然后在该燃烧器的火焰孔点燃一次混合气体，产生一次火焰；并从一次火焰的外围引入空气，对一次火焰进行助燃，形成二次火焰；其特点是，还从该至少一个燃烧器的二次火焰的外围再次补入空气，使该补入空气包围该至少一个燃烧器的该二次火焰，以使燃气得到充分燃烧。

本发明的方法将从空气接收口进入的一部分空气直接提供到燃烧器与燃气进行混合，混合气体在燃烧器出口被点燃形成一次火焰或者说内焰；并将另外一部分空气自二次风道或者说燃烧器之间的间隙导向一次火焰的外围，与内焰未燃尽的产物进行混合燃烧，形成二次火焰，此时仍有部分燃气未能燃烧完全；从空气接收口进入的剩余空气通过全部燃烧器的周围的补风通道对内、外焰形成包围的形式，这部分的空气在二次燃烧空间的上部与未完全燃烧产物或者说二次火焰未燃尽部分再次燃烧，使得所有燃气完全燃烧后排入热交换组件，由于补充风对火焰起到包围导流作用，有效防止了火焰在大空间里出现回流而导致燃烧振荡，由于单个燃烧器负荷的增加以及燃烧器一、二次空气的减少，使得燃烧火焰更加稳定，不容易出现脱火、回火以及振动燃烧的现象。

附图说明

图1是本发明的燃烧系统的构造图。

具体实施方式

如图1所示，燃烧系统包括腔室100，腔室100具有与风机22相接的空气接收口11和通往热交换组件21的烟气出口12，在空气接收口11和烟气出口12之间有燃气燃烧的燃烧空间14以及安装燃烧器组件13的空间。燃烧器组件13的入口130具有与空气接收口11相通的进风通道，燃烧器组件的出口131与燃气燃烧的燃烧空间14连通，燃烧空间14和烟气出口12相通，燃烧器组件13的外围和腔室100的内侧或内壁之间设置有空气补风通道15。空气补风通道15包围整个燃烧器组件13，其两端分别和燃烧空间14、空气接收口11相通，空气补风通道15中设置有配风装置或者孔板16。

孔板16最好是均孔板，设置在空气补风通道15的上游，起到防止回火的作用。

燃烧器组件13在图1所示的实施例中包括多个并列的口琴式燃烧器即火排，通过支架等固定在腔室100中。多个燃烧器132并列设置在燃烧器组件13的壳体中，单个燃烧器132具有通空气的一次风道1321，并且单个燃烧器132之间留有间隙作为二次风道1322，一次风道1321、二次风道1322分别和空气接收口130相通。燃烧空间14的空腔面积要大于燃烧器组件13的出口面积，腔室100的顶部即燃烧空间14的顶部与热交换组件21(换热盘管)相连，作为高温烟气的排出口。风机22(鼓风机)则连接在燃烧器组件13下方提供一次风道、二次风道、空气补风通道所需要的空气。鼓风机22通过空气接收口将燃烧所需的空气送入腔室100，一部分空气随着喷射的燃气从一次风道1321直接进入燃烧器132与燃气进行预混合，产生的一次混合气体在燃烧器出口131被点燃形成内焰或一次火焰30；另外一部分自燃烧器132之间的二次风道进入燃烧空间14，与内焰未燃尽的产物进行混合燃烧，形成外焰或者说二次火焰31，此时仍有部分燃气未能燃烧完全；大部分空气通过燃烧器组件13的周围经过孔板16直接输送到燃烧空间14，对内、外焰30、31形成包围的形式，这部分的空气在燃烧空间14的上部与未完全燃烧产物或者说二次火焰的未燃尽部分再次燃烧，形成如图中区域所示的补充风燃烧火焰，使得所有燃气完全燃烧后排入热交换组件21。带补充风的燃烧系统由于通过比燃烧器组件的出口面积稍大的燃烧空间，使得燃气与空气有充分的燃烧空间，单个燃烧器的负荷可以大幅度的增加，并且由于补充风对火焰起到包围导流作用，有效防止了火焰在大空间里出现回流而导致燃烧振荡。另外，由于单个燃烧器132负荷的增加以及燃烧器132一、二次空气的减少，使得燃烧火焰更加稳定，不容易出现脱火、回火以及振动燃烧的现象。

本发明的燃烧方法也可以结合图1所示的实施例来进行举例说明，在空气接收口至烟气出口为单一连通通道的环境内，即腔室100内，利用至少一个燃烧器132进行燃烧，包括以下步骤：借助于一次风道将空气引入单个燃烧器132中与该燃烧器132内的燃气进行混合，然后在该燃烧器132的火焰孔即燃烧器组件出口131处点燃一次混合气体，并从相邻燃烧器132之间的空隙之间即二次风道再次引入空气，空气的导风方向指向一次混合气体的燃烧空间，因此对一次火焰进行助燃，形成二次火焰，并且还从燃烧器组件13的外围借助于补风通道15补入空气，使该补入空气包围各二次火焰，即包围内外火焰30、31，以使燃气得到充分燃烧。

前述实施例具有如下变化例，但效果没有前述实施例好。

变化例1，若在图1的基础上省略补风通道15，或者说扩展燃烧器组件13的宽度以使其占据补风通道15的空间，这种结构如果在一次空气系数不是特别小的情况下，试验过程中很容易发生燃烧振动，系统无法安全稳定运行。

变化例2，若在图1的基础上将孔板16替换为封闭板，即封闭了补风通道，这种结构看上去能够通过减少燃烧器的数量，使单个燃烧器燃烧强度加大，并且火焰更加集中在燃烧空间中心而避免火焰与燃烧腔壁面的接触，来达到减小燃烧振动区域，改善燃烧工况的目的，但是实际情况是，由于单个燃烧器负荷增加，助燃空气的流道相对变小，混合气体在燃烧器出口的速度以及空气速度增加，导致这种结构更加容易产生燃烧振动。

变化例3，若在图1的基础上将孔板16移动到补风通道的下部入口，这种结构试图通过改变燃烧时火焰的一、二次空气分配使得燃烧可以出现前后的顺序，充分利用这种系统烟道长的优势，而不是在燃烧器出口一次性高强度燃烧完全，从而降低系统不稳定燃烧的风险，实际的情况是这种结构的燃烧系统对缩小燃烧振动区域起到了积极的作用，其振动区域明显减小，但这种结构容易发生火焰回流而烧损燃烧器。

下面将图1所示实施例及其前述变化例和一款型号为快速33E的市售产品的燃烧性能进行了比较。

从前述比较可以理解到，图1所示的实施例具有如下优点，

1、这种通过补风通道引入冷却空气的燃烧系统在总输入负荷不变、燃烧空间不变、风机能力不变的前提条件下，从总风量中分出来一部分空气作为冷却空气，这部分空气不是直接参与内外焰的燃烧，而是在外焰后再与燃气进行燃烧。这样，虽然燃烧器数量减少使单个燃烧器的负荷增加，但燃烧器出口的火焰强度有明显的降低，燃烧更加柔和，燃气与空气的接触反应时间得到了增加，而又通过比燃烧器出口面积稍大的燃烧腔体，使得内外焰后未燃尽的混合气体与空气有充分的混合燃烧空间，经过一、二次空气燃烧的未燃尽产物可以与这部分补充空气再次燃烧，从而燃气和空气的燃烧呈现出分级分次，前后顺序燃烧的现象，而不是一次性在燃烧器出口高强度燃烧完全。这样处理的结果不仅使得被输送到燃烧腔的空气可以少量多次的被充分利用，而且还降低了燃烧器出口的火焰强度，降低了燃烧的温度，从而在低过量空气系数的条件下CO、NO排放值都有了明显的改善。而且，由于图1所示实施例的适应性范围扩大，一次空气系数可选择的余地更大，可以很好的控制其燃烧工况，有效避免出现系统积碳等问题。

2、由于补充风道的冷却空气的导入，对火焰起到了一定顺理导流的作用，减弱了内外焰在大空间燃烧腔里的回流振荡现象；另外，由于燃烧器数量减少，单个燃烧器负荷增加，一次空气系数相对减少，从而燃烧器出口的火焰更加柔和，燃烧更加稳定，不容易出现脱火、回火，以及振动燃烧的现象，同时试验可以发现该系统燃烧振动区域已远离系统正常运行时的区域，系统更加安全稳定；

3、由于冷却空气对火焰起到包围导流作用，防止燃烧空间壳体与高温火焰的直接接触，有效降低了燃烧空间壳体的壁面温度，增加了系统的可靠性。

传统的部分预混燃烧系统如果要保证稳定燃烧，必须对一次空气系数，过剩空气量以及最大输入负荷等参数有着严格的范围限制，一旦超过这些范围，这种系统就会出现CO超标、黄焰积碳、燃烧共振等不稳定工况。而图1所示实施例通过大胆的创新尝试，在原来一、二次空气的基础上，增加了补充的冷却空气，突破了传统思维，相比传统结构不仅单个燃烧器负荷加大，燃烧更加完全，CO、NO排放更低，而且燃烧更加稳定，不易出现燃烧共振、系统积碳等问题，与以往技术相比，具有革命性的进步。

图1所示的实施例还可以将燃烧器组件13的两侧边的燃烧器与组件壳体之间的二次风道扩大，使其兼具补风通道的功能。

Claims (8)

1.一种大功率容积式燃气热水器燃烧系统，包括空气接收口和烟气出口，从空气接收口至烟气出口的通道为单一连通通道，在该单一连通通道内设置有：

至少一个燃烧器，燃烧器内设置有将空气引入燃烧器中与该燃烧器内的燃气产生一次混合气体的一次风道；

供该至少一个燃烧器喷射的一次混合气体燃烧产生一次火焰的至少一个一次燃烧空间；

导风方向指向各一次燃烧空间的外围的二次风道；

供二次风道的风对一次火焰进行助燃的二次燃烧空间；

其特征在于，

在该单一连通通道内还设置有导风方向指向全部二次燃烧空间的外围的补风通道，补风通道内设置有配风装置。

2.如权利要求1所述的大功率容积式燃气热水器燃烧系统，其特征在于，所述燃烧器为口琴式燃烧器。

3.如权利要求2所述的大功率容积式燃气热水器燃烧系统，其特征在于，所述补风通道最小宽度为一个所述燃烧器的宽度。

4.如权利要求1所述的大功率容积式燃气热水器燃烧系统，其特征在于，所述配风装置为孔板。

5.如权利要求4所述的大功率容积式燃气热水器燃烧系统，其特征在于，孔板具有均匀分布的均风孔。

6.如权利要求1所述的大功率容积式燃气热水器燃烧系统，其特征在于，该空气接收口连接风机，该烟气出口连接热交换器。

7.一种大功率容积式燃气热水器燃烧系统的燃烧方法，在空气接收口至烟气出口为单一连通通道的环境内利用至少一个燃烧器进行燃烧，包括以下步骤：

将空气引入燃烧器中与该燃烧器内的燃气进行混合，形成一次混合气体；

然后在该燃烧器的火焰孔点燃一次混合气体，产生一次火焰；

并从一次火焰的外围引入空气，对一次火焰进行助燃，形成二次火焰；

其特征在于，

还从该至少一个燃烧器的二次火焰的外围再次补入空气，使该补入空气包围该至少一个燃烧器的该二次火焰，以使燃气得到充分燃烧。

8.如权利要求7所述的大功率容积式燃气热水器燃烧系统的燃烧方法，其特征在于，所述燃烧器为口琴式燃烧器。

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