CN103968382B - 燃烧器组件、燃烧器设备和操作燃烧器设备的方法 - Google Patents

燃烧器组件、燃烧器设备和操作燃烧器设备的方法 Download PDF

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Abstract

水加热设备（10）使用低范围鼓风机组件（52）和高范围鼓风机组件（54），每个鼓风机组件（52，54）都提供可变流量的燃料和空气给燃烧器组件（42）。合适的选择各鼓风机组件的工作范围能提供近似等于每个单独的鼓风机组件的极限负荷比的乘积的高极限负荷比。极限负荷比可达到高达25:1。

Description

燃烧器组件、燃烧器设备和操作燃烧器设备的方法
技术领域
本发明一般涉及燃烧气体的水加热设备，更具体地说，但不作为限制，涉及在很大输入范围内具有连续可变的燃烧器输入因此与现有系统相比提供较高极限负荷比的较高能力水加热设备。
背景技术
常规水加热设备技术利用设计成能以固定的燃烧空气和燃料气体的流速操纵送到燃烧器的燃烧器。这种设备根据监视储槽或另外供水系统的不同管道中热水的温度的控制系统断断续续地循环。这种典型现有技术系统的一个例子目前在市场上由本发明的受让人销售，在授予Vallett等人的美国专利Nos. 4723513和4793800中表明，其详细内容包括在本文中作为参考文献。
应该理解，在对供水系统的热输入有显著不同需求的情况下，通过作用能在不同的能量输入下工作的水加热设备能达到更大的能效。这种系统的一个例子是由本发明受让人Lochinvar Corporation以商标COPPER-FIN II RTM出售的系统。Lochinvar COPPER-FINII RTM系统利用多个分级式燃烧器，该多个分级式燃烧器能对热能变化按需要进行在线或离线。该COPPER-FIN II RTM设备包括多个组（Bank）例如第一、第二、第三和第四级。起初接通所有4级燃烧器，并随着它接近所需的温度，依次切断各单元以便减少输入的能量。这种类型系统提供可变的输入，但它不是连续可变。而输入仅能用对应于一个燃烧器级的热输入的基本增量改变。
现有技术还包括对在输入范围内具有连续可变输入的水加热器的建议。两个这样的系统在授予Cohen的美国专利No. 4852524和授予Stuart的美国专利No. 5881681中示出。这些在市场上由AERCO International Inc.以Benchmark名字销售的系统利用接收单独燃烧空气流和燃料气体流的喷嘴混合燃烧器。利用燃料/空气阀来用电子学方法并同时控制穿过空气管路的空气流量和穿过燃料管路的燃料流量，以便提供变动的燃料和空气的输入而同时保持恒定不变的燃料/空气比。在这些系统上鼓风机速度保持恒定不变。Stuart的5881681专利提出其中所述的系统能达到高达15:1的极限负荷比。AERCO的对其Benchmark型水加热器的广告文案提出它们达到高达20:1的极限负荷比。
最近，本发明的受让人已经研制出了具有可变空气和燃料输入的连续可变水加热设备，如授予Baese等人的美国专利No. 6694926中所示。在Baese设备中，可变流量鼓风机在鼓风机流速范围内以受控制的鼓风机流速提供预混合的燃烧空气和燃料给燃烧器。这使水加热设备的热输入能在具有极限负荷比多达4:1的相当大范围内连续地改变。
对用现有设计的单一加热设备能达到的极限负荷比的固有物理限制使它难以达到在从低需热量情况的很低的低端到高需热量情况的很高的高端的大工作范围内连续的热输入的范围。对这种困难的现有解决方案是利用多个共同受控制的热交换器如上述Baese等人的专利中的那些。一种这样的系统例如在Paine等人的美国专利申请公报No.2008/0216771中说明并转让给本发明的受让人。尽管这些多调制系统解决了在很大需热量范围内提供连续调制的问题，但它们这样做以增加连接多个单元的管路系统的复杂性和增加协调各单元的操作的控制系统的复杂性为代价。
因此对能在很大需热量范围内提供热输入的连续调制的较大能力单一单元加热设备有持续的需求。
发明内容
本发明提供具有进给共用燃烧器组件的双鼓风机组件（优选的是低范围鼓风机和高范围鼓风机）的水加热设备。通过低范围鼓风机和高范围鼓风机的协调式控制，能在比上述情况宽得多的工作范围内提供水加热设备的连续调制。例如，若利用各都具有固有的极限负荷比（turndown ratio）为近似5:1的常规鼓风机组件，和通过选择那些鼓风机组件的工作范围，以使高范围鼓风机组件的低端近似等于低范围鼓风机组件的高端，组合式系统的极限负荷比为25:1，因此远远超过典型的现有技术系统能达到的极限负荷比。
在本发明的一种情况下，水加热设备包括燃烧室和位于燃烧室内的燃烧器组件。可变流量预混合低范围鼓风机组件在从低范围低端延伸到低范围高端的低流速范围内供应预混合燃料和空气给燃烧器组件。可变流量预混合高范围鼓风机组件在从高范围低端延伸到高范围高端的高流速范围内供应预混合燃料和空气给燃烧器组件。控制系统可操作式与低范围鼓风机组件和高范围鼓风机组件相关，以便根据对水加热设备上的需热量如所需选择性地操纵鼓风机组件的其中之一或二者。
在本发明的另一种情况下，水加热设备包括燃烧区，而燃烧器设备伸入该燃烧区中。第一可变流量预混合鼓风机组件供应预混合燃料和空气给燃烧器组件。第一鼓风机组件具有从第一范围低端延伸到第一范围高端的第一鼓风机流量范围，因此第一鼓风机组件具有第一极限负荷比至少等于第一范围高端除以第一范围低端的商。第二可变流量预混合鼓风机组件供应预混合燃料和空气给燃烧器组件。第二鼓风机组件具有从第二范围低端延伸到第二范围高端的第二鼓风机流速范围，因此第二鼓风机组件具有第二极限负荷比等于第二范围高端除以第二范围低端的商。第二范围低端基本上等于或小于第一范围高端，因此在第一和第二流速范围之间没有显著的间隙。可操作式与第一和第二鼓风机组件有关的控制系统根据对加热设备的需热量如所需选择性地操纵鼓风机组件的其中之一或二者。第一和第二鼓风机组件一起提供至少像第一和第二极限负荷比之和一样大的连续组合式极限负荷比。
在本发明的另一种情况下，提供一种用于操纵水加热设备的方法。预混合的燃料和空气通过低鼓风机组件在低流速范围内以流速供应给设备的燃烧器组件。另外的预混合的燃料和空气通过高范围鼓风机组件在高流速范围内的流速供应给设备的燃烧器组件。高范围延伸比低范围高，且在低范围和高范围之间没有显著的间隙。自动化控制系统根据对加热设备的需热量如所需选择性地操纵鼓风机组件，以便将预混合的燃料和空气在从低流速范围的低端延伸到至少高流速范围的高端的基本上连续可变的流速范围内供应给燃料器组件。
在本发明的还有另一种情况下，燃烧器组件包括第一多孔外壁部分和第二多孔外壁部分。内壁将分别邻近第一和第二多孔外壁部分的第一和第二内区分开。第一燃料和空气入口通道与第一内区连通。第二燃料和空气入口通道与第二内区连通。
在本发明的另一种情况下，水加热设备包括具有用碳钢制成的热交换壁的第一不冷凝的热交换部分。热交换器包括被热交换壁分开的热气体室和水或液体室。燃烧器与热气体室连通。第一可变流量鼓风机与燃烧器连通，用于在鼓风机流速范围内以受控制的鼓风机流速供应预混合的燃烧空气和燃料给燃烧器。设置传感器用于检测与热气体室内燃烧气体的可能冷凝有关的参数。补充鼓风机与燃烧器连通。控制系统可操纵成启动补充鼓风机来根据测得的参数提供补充空气给燃烧器，以便防止燃烧气体冷凝在碳钢热交换壁上。
在本发明的另一种情况下，水加热设备包括燃烧室和伸入燃烧室中的燃烧器组件。燃烧器组件包括多孔外燃烧器壁。第一和第二调制预混合鼓风机组件提供预混合的燃料和空气给燃烧器组件。控制系统可操作式与鼓风机组件有关，用于根据对水加热设备的需热量在连续调制式极限负荷比为至少25:1范围内选择性地操纵鼓风机组件的其中之一或二者。
因此，本发明的目的是提供具有高极限负荷比的水加热设备。
本发明的另一个目的是准备在大输入范围内连续地调制的高能力水加热设备。
本发明的另一个目的是准备具有燃烧器组件和具有在低流速范围内提供燃料和空气给燃烧器组件的低范围鼓风机组件，及具有在高流速范围内提供燃料和空气给燃烧器组件的高范围鼓风机组件的水加热设备。
本发明的另一个目的是提供具有供应补充空气给燃烧器以便防止燃烧气体的冷凝作用的能力的水加热设备。
本发明的另一个目的是准备具有进给单一燃烧器组件的双鼓风机的水加热设备，而用安全系统来防止燃烧气体回流到鼓风机组件的二者之一中。
本发明的另一个目的是准备具有极限负荷比为至少25:1的单一水加热设备。
本发明的另一个目的是准备供与双鼓风机系统一起使用的双室燃烧器组件。
本发明的另一个目的是准备利用双鼓风机组件操纵水加热设备的方法。
本发明的另一个目的是准备能利用直接火花点火的高能力水加热设备。
本发明的其它和另一些目的、特点和优点对该领域的技术人员来说在当结合附图时阅读下面公开内容时将很容易明白。
附图说明
图1是具有包括低范围鼓风机组件和高范围鼓风机组件的双鼓风机系统的水加热设备的示意图。
图2是用于图1的加热设备的控制系统的示意图。
图3是图1的水加热设备的垂直剖视图。
图4是图3的设备的燃烧器组件和周围热交换器结构的放大垂直剖视图。
图5是沿着图3的线5-5所取的示出鼓风机过渡支管的内部细节的剖视图。
具体实施方式
用于实施本发明的最佳方式
现在参见附图，和尤其是参见图1，水加热设备示出并一般用标号10表示。如本文所用的，术语水加热设备或水加热器具或者水加热器设备或水加热器全都可互换使用和全都涉及用于加热水的设备，包括实际上不“煮沸”水的热水锅炉和水加热器二者。这些设备在各种各样的商业和住宅设备中使用，上述应用包括饮用水系统、空间加热系统、池加热器、过程水加热器、及诸如此类。另外，水加热能包括不同的添加剂如防冻剂等。
图1中所示的水加热设备10是火管加热器。火管加热器是来自燃烧器的燃烧气体穿过多个管子内部流动的加热器。待加热的水围绕各管子外部流动。然而，本发明的工作原理同等地可适用于具有水穿过管子的内部流动和在管子的外部具有热燃烧气体的水加热器，像例如上述授予Baese等人的美国专利No.6694926中所示出的设计。
图1中所示的水加热设备10用有时称之为全流量加热的方式连接到需热负荷12上，其中加热设备10的水入口12和水出口14直接连接到运送热水到多个负荷18A，18B，18C和18D上的流动回路16上。负荷18A-18D可以例如代表建筑物的不同区域中所包含的热辐射器的各种不同加热负荷。对建筑物的规定区域的热量可以通过控制区阀20A-20D接通或关闭。因此随着辐射器接通和关闭或者随着在建筑物的不同区域中调节所需的热量，通过区阀20允许进入那个区域的水流量将变动，因此提供穿过流动回路16的变动的水流量和加热设备10上变动的热负荷。流动回路16中的供应泵22使水穿过系统循环。然而，本发明的工作原理也可适合于连接到其它类型供水系统上的加热设备，像例如对热负荷使用一次流动回路而水加热设备处于二次流动回路中以便不是全部的穿过系统循环的水一定穿过水加热器回流的系统。这种一次和二次流动回路系统的例子在Paine等人于2007年3月9日提出的和题目为“用于调制水加热器的控制系统”并转让给本发明的受让人的美国专利申请公开No.2008/0216771中见到，其详细内容包括在本文中作为参考文献。
设备10包括外套24。水入口12和水出口14穿过外套24与水室26或热交换器的水侧26连通。在上面或第一热交换器部分28中，内热交换壁或内套30具有本文所限定的燃烧室或燃烧区32。燃烧室32的下端被上管套34闭合。多个火管36具有它们连接到上管套34上的上端和它们连接到下管套38上的下端。各火管贯穿热交换设备10的二次热交换部分40。
燃烧器组件或燃烧器设备42设在燃烧室32内。燃烧器组件42在燃烧室32内燃烧预混的燃料和空气。从燃烧室32出来的热气体向下穿过火管36流到排气总管44并排出废气烟道46。
待加热的流动回路16中的水流入水入口12，然后围绕各火管36的外部并向上穿过水侧26的第二热交换部分48，并继续向上穿过水侧26的第一热交换器部分50，和然后穿过水出口14流出。应该理解，设备10的内部包括不同的用于以这种方式导引水流的挡板以使水一般均匀地围绕所有火管36流动并穿过第一热交换器28在外套24和内套30之间的水室50。随着水围绕第二热交换器40的各火管36向上流动，水通过从各火管36内部的热燃烧气体穿过火管36的壁传热到围绕火管36流动的水加热。随着热水继续穿过第一热交换器28的水侧50向上流动，将额外的热量从燃烧室32穿过内套30转移到水侧50内所含的水中。
双鼓风机组件
再参见图1，第一和第二鼓风机组件52和54分别连接到燃烧器设备42上用于供应预混合的燃料和空气给燃烧器组件42。每个鼓风机组件都是可变流量预混合鼓风机组件。
第一鼓风机组件52包括由变频驱动电机驱动的可变流量鼓风机56。设置文丘里装置58用于使燃烧空气和燃料空气体混合。空气供应导管60提供燃烧空气给文丘里装置58。供气管路62提供燃料气体给文丘里装置58。气体控制阀64设在供应管路62内用于调节气体进入文丘里装置58的量。气体控制阀64包括整体截止阀。在某些实施例中，气体控制阀和文丘里装置可以结合成一个整体单元。气体控制阀优选地是用于以可变气体流速提供燃料气体给文丘里装置58的比例气体阀，该可变气体流速与文丘里装置58内由鼓风机速度所引起的负空气压力成比例，因此改变进入文丘里装置58的流速以便在鼓风机56工作的流速范围内保持预定的空气/燃料比。为了提供燃烧器组件42的可变输入操作，可变流量鼓风机56在从第一范围低端延伸到第一范围高端的第一鼓风机流速范围内以受控制的鼓风机流速将预混合的燃烧空气和燃料气体输送到燃烧器组件42。因此第一鼓风机组件52具有一至少等于第一范围高端除以第一范围低端的极限负荷比。
同样，第二鼓风机组件54包括可变速鼓风机66，文丘里装置68，空气供应导管70，空气供应管路72和气体阀74。第二鼓风机组件54供应预混合的燃料和空气给燃烧器组件42，并具有从第二范围低端延伸到第二范围高端的第二流速范围以便第二鼓风机组件具有第二范围高端除以第二范围低端的第二极限负荷比。
尽管在示出第一和第二鼓风机组件52和54所示的实施例中包括完全分开的燃料空气混合装置，亦即它们的文丘里装置58和68。但研制其中两个鼓风机组件从共用混合装置中抽出预混合的燃料和空气的系统是可以想像的。
在本发明的优选实施例中，第一和第二鼓风机组件52和54分别是低范围和高范围鼓风机组件，而第二范围低端基本上第于第一范围高端。在那种情况安排下，两个鼓风机组件的连续组合的极限负荷比至少像第一极限负荷比乘以第二极限负荷比的乘积一样大。例如，如果第一或低范围鼓风机组件52具有相当于80000 BTU/hr热输入的低范围低端和相当于400000 BTU/hr热输入的低范围高端，则它具有第一极限负荷比为5:1。而如果第二或高范围鼓风机组件54具有相当于400000 BTU/hr热输入的高范围低端和相当于2000000 BTU/hr热输入的高范围高端，则第二极限负荷比也是5:1。因此在刚才的例子中从80000 BTU/hr到2000000 BTU/hr的连续组合式极限负荷比为25:1，该25:1至少与第一极限负荷比乘以第二极限负荷比的乘积一样大。如刚才规定的例子中所述，在加热器工业中通常用燃烧器每单位时间所消耗的热能亦即在燃烧器中燃烧的可燃气体的热能描述加热设备的输入。因此也把鼓风机的每单位时间体积输出或流速范围说成对应于加热设备的热输入额定值。
然而，本发明的好处也能用其流速范围某种程度上或甚至整个地叠加的第一和第二鼓风机组件较少程度地得到。
因此，例如，第一和第二鼓风机组件52和54能具有基本上相等的流速范围，在这种情况下连续的组合式极限负荷比基本上等于第一和第二极限负荷比之和。
或者，更一般地，如果有第一和第二流速范围的部分但不完全的叠加，则连续的组合式极限负荷比稍小于第一极限负荷比乘以第二极限负荷比的乘积，和稍大于第一和第二极限负荷比之和。
然而，理想情况是在第一和第二流速范围之间设有显著的间隙。因此第二范围低端基本上等于或小于第一范围高端。
如图2中示意示出的，设备10包括操作式与第一和第二鼓风机组件52和54有关的控制系统76，以便根据加热设备10上的需热量如所需选择性地操纵鼓风机组件的其中之一或二者。控制系统76使第一和第二鼓风机组件52和54在从第一范围低端延伸到至少第二范围高端的连续可变组合式流速范围内将混合的燃料和空气供应给鼓风机组件42。在第一鼓风机组件52是低范围鼓风机组件52和第二鼓风机组件54是高范围鼓风机组件54的优选实施例中，控制系统在从低范围低端延伸到高范围高端的连续可变组合式流速范围内供应燃料和空气。优选地，高范围高端是代范围低端的至少25倍，因此提供25:1的极限负荷比。这能通过选择具有类似但基本上不重叠的流速范围其中每个鼓风机组件都具有5:1极限负荷比的低和高范围鼓风机组件52和54完成。
例如，具有最大热输入近似2000000 BTU/hr的设备10可以利用下列部件。在低范围鼓风机组件52中，可变速鼓风机56可以是可从EBM Industries购买的RG 148型或其再设计的增强式相当的RG 137鼓风机。文丘里装置和气体阀可以是从Hoheywell购买的VR8615V型组合文丘里装置/气体阀。在该组部件中，第一鼓风机组件52能提供从相当于加热器输入为近似80000 BTU/hr的低范围低端到相当于加热器输入为近似400000 BTU/hr的低范围高端的低流速范围。在该实施例中，高范围鼓风机组件54可以包括从EBM Industries购买的G3G200型鼓风机的可变速鼓风机66。文丘里装置68可以是从Honeywell购买的VMU680A型文丘里装置。气体阀74可以是从Honeywell购买的VR 4734C型气体阀。在各部件的这种组合情况下，第二鼓风机组件54能提供从相当于加热器输入近似400000 BTU/hr的高范围低端延伸到相当于加热器输入近似2000000 BTU/hr的高范围高端的高流速范围。
应该注意，在刚才说明的实施例中，高范围鼓风机组件包括一个且仅是一个鼓风机66。高范围鼓风机组件也能用多个并联连接的较小鼓风机制成以便提供所需的鼓风机输出。这种若干较小鼓风机用歧管连接在一起的安排在某些情况下从实用观点来看由于若干较小可变速鼓风机的利用率和更低成本而可能是理想的。
燃烧器组件
现在参见图4，燃烧器组件42的构造的详细情况是最佳看出的。燃烧器组件42一般是圆筒形状并伸入一次热交换器部分28的燃烧室32中。燃烧器组件42包括集管装置（header）壁78和与集管装置壁78间隔开的内壁80。内壁将第一和第二或上和下内区或增压室82和84分开。
鼓风机过渡支管79附接到集管装置壁78上，并把鼓风机组件52和54的出口连接到燃烧器组件42上。如在图5中最佳看到的，第一和第二通道81和83分别被限定在过渡支管79中。
第一鼓风机56的出口连接到第一通道81的入口85上。第二鼓风机66的出口连接到第二入口87上。止回阀如104（见图1）可以放置在鼓风机与它们各自的支管入口之间。
第一通道81具有通道出口89，该通道出口89与集管装置壁78中的开口90对准，以使第一鼓风机56的出口与第一区82连通。应该注意，图4稍微示意示出，和开口90从它在第一集管装置壁78中的实际位置转90°。
导管91在间隔壁80和集管装置壁78之间延伸并向上伸入第二通道83。导管91焊接或用别的方法附接到集管装置壁79和间隔壁80上。导管91的下端穿过间隔壁80中的开口93与第二区84连通，并限定第二鼓风机66与第二区84连通的通道。
燃烧器设备42还包括上套环(collar)95，该上套环95附接到集管装置壁78上并从该集管装置壁78向下延伸。一个穿孔的圆筒支承屏97附接到套环95和间隔壁80上。下支承环99容纳在支承屏97的下端中。平的下燃烧器屏101附接到环99并横跨环99。集管装置壁78，颈95，导管91，间隔壁80，支承屏(screen)97，支承环99，和底部屏101全都优选地用金属制成并焊接在一起以便形成燃烧器组件42的结构骨架。
多孔外软保护套（sock）103安放在圆筒形屏97和底部屏101的周围并用固定带105保持在合适位置。
软保护套103的第一和第二外壁部分86和88分别位于第一和第二内区82和84附近。第二多孔外壁部分88包括圆筒形部分94和横跨底部屏101的末端部分96二者。制造软保护套103的多孔材料可以例如是3M Company制造的陶瓷纤维编织材料。第二多孔外壁部分88和第一多孔外壁部分86的圆筒形部分94可以包括连续的圆筒形多孔燃烧器壁。
如下面进一步说明的，优选的是把燃烧器组件42设计成匹配第一和第二鼓风机组件52和54的能力以便在燃烧器上提供基本上均匀的表面负荷。也就是说，为均匀加热燃烧器的每平方英寸表面积产生的热能量应是均匀的。因此，如果在最大输出下高范围鼓风机组件的高范围高端是低范围鼓风机组件的低范围高端5倍，则第二多孔外壁部分88（包括其部分94和96二者）的表面积应近似是第一多孔外壁部分86的外表面积5倍。更一般地，可以认为，在那个实施例中第二多孔外壁部分88的外部表面积应是在第一多孔外壁部分86的外部表面积的4-6倍范围内。
燃烧室32是较紧密的燃烧室，因为与许多其它类型现有技术燃烧器装置相比，它较严密地限定燃烧器组件42。燃烧器组件42及其紧密限定的燃烧室32的设计能使燃烧器42的多孔外壁运送很高的单位负荷（specific loading）用于高能输入。如本文所用的，术语“单位负荷”指各多孔外壁部分的每单位表面积的动力。通常的现有技术燃烧器装置可以具有单位负荷为2500 BTU/in2-3600 BTU/in2，而本发明的燃烧器组件42可以利用高达5600BTU/in2的单位负荷。
设备10优选地利用直接火花点火元件98。该直接火花点火元件98向下伸入燃烧器32中到达邻近第一多孔外壁部分86的外部，以便当首先开始设备10的操作，和预混合的燃料和空气仅从低范围鼓风机52流动时，从第一多孔外壁部分86输出的燃料和空气混合物能被位于其附近的直接火花点火元件98点燃。
在图4所示的构造中，第一和第二多孔外壁部分86和88仅被内部壁80的厚度分开且彼此十分接近以便从第一多孔燃烧器壁部分86出来的火焰随后点燃从第二多孔燃烧器壁部分88输出的燃料和空气混合物。因此只需要一个直接火花点火装置98。另外只需要一个火焰检测器120。
应该理解，由于内部壁80的存在，所以在与燃烧器组件42的第一区82和第二区84有关的外部燃烧器表面之间有一小间隙。当加热设备10首次起火时，在仅是低范围鼓风机组件52提供燃料给燃烧器组件42的情况下，仅在第一区82的外部表面86上有火焰。热燃烧气体将向下流过第二区84的外表面94，且在启动第二鼓风机组件54时那些热气体将点燃由高范围鼓风机组件54所提供的燃料。尽管由间隔壁80所产生的物理间隙优选地保持最小，但应该理解，只要多孔外表面94十分接近多孔外表面86以致能点燃从第二区84输出的气体，则设备10能仅用一个起初点燃第一区82中火焰的直接火花点火元件98操作。尽管在所示的实施例中由内部壁80所产生的物理间隙为1英寸数量级，但可以预料，几英寸，或许多达6英寸的间隙也能适应，且从第二区84输出的燃料仍能被从第一区82输出的火焰的向下流动的热气体点燃。尽管由于实际原因优选的是燃烧器组件42是整体式制造的燃烧器组件，但可以想像与第一和第二鼓风机组件52和54有关的燃烧器表面实际上完全分开，只要它们进给共用燃烧区32并十分接近以致第二燃烧器表面88能采取从来自第一燃烧器86的火焰点火，且只要该设计防止发生对相邻燃烧器的物理损坏。
该领域的技术人员应该理解，按照不同的工业设计标准，直接火花点火元件的使用通常限于具有较低燃料流速的较小加热设备。这是由于典型的标准要求有例如4秒种的“点火周期试验”，在此期间燃料在点火之前必须流动。在较大的点火设备，尤其是提供超过例如400000 BTU/hr的那些设备中，在点火之前的4秒流动周期包括相当大量的燃料并能由于点火时存在的气体体积而产生“硬起动”。然而，在本发明的加热设备10利用低范围鼓风机组件和高范围鼓风机组件的情况下，能享受使用直接火花点火的优点，因为低范围鼓风机组件将像典型的较低范围水加热设备那样点火，并因而高范围鼓风机组件54能采取它的从事先点火的低范围鼓风机组件点火而对高范围鼓风机组件不进行“点火周期试验”。
如在图3和4中能看出的，将燃烧室32限定于其内的内套或热交换器壁30由第一较小直径部分100和第二较大直径部分102组成。燃烧器组件42的第一区82位于较小直径部分100内，而第二区84位于较大直径部分102内。因此从第一多孔外壁部分86较小直径热交换器壁部分100的径向间隙小于第二圆筒形多孔外壁部分94和较大直径热交换器部分102之间的间隙。当燃烧器组件42仅用低范围鼓风机组件52穿过第一区82提供燃料空气混合物给燃烧器组件42在其低范围中工作时，这为燃烧器组件42提供改进的热传递。来自第一多孔外壁部分86的火焰比较接近较小直径热交换器壁部分100并因此较直接地将热量传递于其上。因此由低范围鼓风机组件52供给的来自第一区82的火焰具有比由高范围鼓风机组件54供给的来自第二区84的火焰短的距热交换器壁30的减小直径部分100的偏距（standoff），该来自第二区84的火焰具有较大的距热交换器壁30的较大直径部分102的偏距距离。
另外，内套30的这种分级式构造增加了水室26的最上面部分104邻近水出口14的径向宽度。这帮助提供水穿过水区50围绕内径30的整个圆周的均匀向上流动。
安全特色
使用各都将预混合的燃料和空气送到共用燃烧室内共用燃烧器组件的双鼓风机组件要求采取措施来防止发生热燃烧气体从燃烧室32回流到其中一个鼓风机组件中。
这对于小鼓风机组件52尤其重要，该小鼓风机组件52由于它的较小尺寸能很容易克服和被大体积能从大鼓风机组件54的操作回流的热燃烧气体破坏。能提供三种不同的安全特色以防止小鼓风机组件52的这种回流。对大鼓风机组件54与可以提供同样的三个特色。
防止回流到低范围鼓风机组件52的一种方法是在鼓风机56的排出口上设置机械止回阀104。机械止回阀能是瓣式阀，该瓣式阀当合适地工作时将机械式防止回流到鼓风机56中而允许流出鼓风机56。尽管图1中未示出，但在大鼓风机66的排出口上能设置同样的机械止回阀。
用于防止这种回流的第二种手段是在鼓风机56和燃烧器组件42之间的导管中设置温度传感器106，如果热燃烧气体回流向鼓风机56该温度传感器能检测增加的热量。如图2中示意示出的，温度传感器106与控制系统76通信，而控制系统76根据通过温度传感器106检测出到低范围鼓风机组件52内的回流可操作以切断加热设备10。相似的温度传感器108能设在高范围鼓风机组件54和燃烧器组件42之间。
还有另一种用于检测和回流到鼓风机组件二者之一的手段是提供分别与鼓风机56和66有关的速度传感器110和112，以便检测鼓风机风扇速度。应该理解，在水加热设备10的正常运行期间，控制系统76发送操作信号给鼓风机56和66的变速驱动电机，并因此控制系统76指令每个鼓风机56和66以编程的速度工作，该编程的速度视需热量和控制系统66所利用的控制情况而定。因此控制系统76及时知道每个鼓风机56和66的鼓风机风扇速度哪个是在任何规定点处。如果控制器76通过速度传感器110和112检测出无论哪个鼓风机的实际鼓风机风扇速度失常，则控制器76能切断加热设备10。这种料想不到的鼓风机风扇速度视系统的不同形式故障而定可以是超速或欠速，但在任何情况下如果鼓风机风扇速度与编程序的速度显著不同，则控制系统76能切断加热设备10，或者能发送合适的报警信号告诉操作者决定采取什么动作。
补充空气特色
水加热设备10可以这样设计，以使第一热交换器部分28是不冷凝的热交换器，亦即热燃烧气体中的水蒸汽在燃烧室32的范围内应不冷凝。第二热交换器部分40设计成是冷凝式热交换器，并因此热燃烧气体中所含的水份可以冷凝在火管36的内侧上。如该领域的技术人员将理解的，预料在其中冷凝水分的冷凝热交换器部分委托用如不锈钢材料制成的那部分热交换器，该不锈钢材料不会由于水分的存在而腐蚀。
因此，按照设备10的规定的操作参数，在设备10内不同点处的工作温度应是这样，以使在燃室32内设有热燃烧气体中水的冷凝作用。水的冷凝作用能在火管36的内部发生。
只要能保证在燃烧室32内没有冷凝作用，则内热交换套30能用碳钢制成，而火管36将用不锈钢制成。如该领域的技术人员将理解的，当不锈钢暴露于水中时更耐腐蚀得多。另一方面，碳钢如果暴露于水中则全腐蚀，但碳钢与不锈钢相比有许多优选的特性如降低成本和增加传热能力。因此，在工作状况允许的地方，使用碳钢可能是优选的。
必须监视以防在第一热交换器28中冷凝的情况是确保内套的壁或热交换壁30停留在高于燃烧室32内热燃烧气体中冷凝水蒸汽的露点的的温度下。这能通过确保穿过水侧26向上流动的水正好在它进入上面部分50之前的水温高于热燃烧气体中冷凝水蒸汽的露点来保证。因此，温度传感器110可以放置在内套30正下方的水侧26中，如图3和4中所示。
温度传感器110可以更一般地说成用于检测涉及加热设备10内燃烧气体的可能冷凝作用的参数的传感器110，而传感器110提供输入给控制系统76。
通过使用本文所述的双鼓风机组件所提供的独特工作情况提供独特的用于解决冷凝问题的手段，如该领域的技术人员将理解的，燃烧室36内热燃烧气体中所含水蒸汽的露点能通过添加待与燃烧室32内热燃烧气体混合的增加的空气量改变。这种加入设有伴随燃料的补充空气产生总体更干的气体混合物。因此具有较低的露点。
由于加热设备10具有有两个鼓风机组件存在和对每个鼓风机所提供的燃料空气混合物有控制的优点，所以控制系统76能指令其中一个鼓风机提供设有燃料的空气，而燃烧的燃料空气混合物来自另一个鼓风机组件。
这在加热设备10工作的范围的下面部分内的工作状况下尤其有意义。它是在冷凝问题通常发生的低负荷工作状况下。因此，例如，如果当工作基于来自第一鼓风机组件52的燃料和空气混合物时，控制系统76检测由于在传感器110处的温度降到低于燃烧空气的预定冷凝点，则控制系统76能针对第二鼓风机组件以便提供没有燃料的补充空气给燃烧器组件42，因此降低了燃烧室32内燃烧气体的露点，并避免在第一热交换器28内产生冷凝作用。
同样，当第一燃料和空气负荷来自第二鼓风机组件54时，第一鼓风机组件52是补充空气源也是可行的。在上述补充空气的情况下，放出补充空气的鼓风机组件一般可以称之为补充鼓风机。
然而，还应该注意，即使第一热交换器28打算是非冷凝式的，但如果需要，内套30也能用不锈钢制成。如果设置这种不锈钢内套30，则不一定提供上述补充空气特色。
操作方法
用于水加热设备10的典型工作方案如下。该方案从假定水加热设备10停机开始，而它的控制系统接通但燃烧器组件32断路。
在接收来自控制系统76的加热要求时，控制系统76将首先检验设备10的不同安全先决条件如指示止回阀104处于其闭合位置的开关，和指示没有火焰、没有火焰等的处于合适范围内的不同温度传感器。
然后控制系统76将接合在低范围鼓风机组件52和高范围鼓风机组件54二者中的鼓风机。控制系统76将通过试验包括下列的点火程序：
1. 证实当鼓风机风扇56开动时止回阀110已打开。
2. 证实高范围鼓风机组件54的鼓风机风扇66是在最小速度例如1250 rpm下开动，以便防止任何回流穿过高范围鼓风机组件54。
3. 空气压力开关将检测横跨大鼓风机54的压差，而提供进一步证实大鼓风机54开动。
4. 不同的火焰和温度传感器应证实在燃烧室32中没有火焰和没有热量产生。
一旦点火程序试验证实所有系统都适用于点火，则控制器76将通过吹扫气体程序以便提供燃料给低范围鼓风机组件52，并发送点火信号给直接火花点火元件98以便点燃从鼓风机组件42的第一区82输出的燃料和气体的火焰。火焰传感器将证实点火。
然后，视系统所要求的热量而定，低范围鼓风机组件52的输出将如所需增加。如果要求热量较低且单独用低范围鼓风机52就能满足需要，则低范围鼓风机组件52的鼓风机56速度将增加到足以满足需热量的水平，而高范围鼓风机组件54的鼓风机66将持续仅在最小速度下运转以便防止回流和不从高范围鼓风机组件54提供燃料给燃烧器组件42。
另一方面，如果需热量高，则控制系统76能使高范围鼓风机组件54如所需提供额外的燃料和空气经燃烧器组件42穿过燃烧器组件32的第二区84。
在整个加热设备10的工作过程中，控制系统76将连续地监视故障的不同安全系统。典型的故障能例如是可能引起过加热和回流的在加热设备10上产生过大反压的燃料的限制；可能引起回流的止回阀104的破裂；鼓风机风扇电机的损耗，或诸如此类。在检测任何故障时，控制系统76都能通过使气体阀64和74断路切断加热设备10，因此防止燃料流到燃烧器组件42。
控制系统76还连续地监视加热设备10的不同的其它操作参数。进入入口12的水温度用温度传感器116监视。从出口14输出的水温度用温度传感器118监视。火焰传感器120检测在燃烧室32中是否有火焰。废气烟道温度传感器122检测离开烟道46的废气的温度；如果在没有足够的水穿过其流动的情况下设备10燃烧，则能例如利用它来检测。
在利用两个鼓风机组件52和54的加热设备10中必须处理的一个问题是如何处理提供稍微超过低范围鼓风机组件52能提供的需热量。例如，如果低范围鼓风机组件只能在80000 BTU/hr和400000 BTU/hr之间的热输入下工作和如果高范围鼓风机组件54只能在400000 BTU/hr和2000000 BTU/hr之间的热输入下工作，则没有这两个鼓风机组件的组合能正好提供在400000 – 480000 BTU/hr范围内的需热量。该过渡区能用几种方法处理。
处理过渡区的一种方法是选择鼓风机组件52和54，以便它们具有能力上至少等于低范围鼓风机组件52的最小工作能力的叠加。因此如果如此选择低范围鼓风机组件52，以使它能在80000和480000 BTU/hr之间工作，和如果高范围鼓风机组件54能在400000 BTU/hr和2000000 BTU/hr之间工作，则低范围鼓风机组件52能提供从80000至480000 BTU/hr的需热量，而在需热量超过480000 BTU/hr时，高范围鼓风机组件54能在400000 BTU/hr下开始，而低范围鼓风机组件52能节流回到必需热输入的其余部分。当然，叠加能大于上述叠加，且低范围和高范围鼓风机组件52和54能用任何合适的组合开始以便提供必要的需热量。
当然，低范围鼓风机组件52和高范围鼓风机组件54之间工作范围的叠加能用任何方式提供。例如，高范围鼓风机组件54能如此选择，以使它能稍低于其工作范围的标称低端下工作。
此外，如果选定的低范围和高范围鼓风机组件52和54是这样，以致在它们的工作范围中没有足够的叠加能提供需热量的每个点，因此在可用的需热量中产生一小间隙，则控制系统能用这种方式工作以便尽量减少加热设备10的断续循环。例如，操作程序能使用像2008年4月30日由Paine提出的美国专利申请系列号No.12/112179中所述并转让给本发明的受让人那样的操作程序，其详细内容包括在本文中作为参考文献。
在最大工作状况下，应该注意，即使在低范围鼓风机组件52和高范围鼓风机组件54二者都在最大输出下工作的情况下，一般也不能预期组合式输出会达到这个鼓风机组件的最大单个输出的总和。也就是说，在所给出的实施例中，不能预期低范围鼓风机组件52提供400000 BTU/hr和高范围鼓风机组件54提供2000000 BTU/hr总量为2400000BTU/hr。原因是在最大工作能力下，系统内的反压是这样，亦即低范围或高范围鼓风机组件二者都不能达到它的最大工作状况。因此，可以预料，在最大工作状况下，两个鼓风机组件的组合式输出将与给出的例子中所需的近似2000000 BTU/hr的加热器输入相对应。
还应该注意，由于燃料效率原因，在最大工作状况下优选的是提供燃料穿过低范围鼓风机组件52和高范围鼓风机组件54二者。尽管可以想像通过简单地使高范围鼓风机组件54在其最大输出下工作提供最大所需的输入2000000 BTU/hr，但必需记住，为了防止回流穿过较小的低范围鼓风机组件52，鼓风机56通常将保持运转，因此提供一些没有燃料的空气流。那种没有燃料的空气流实际上冷却燃烧气体，并因此降低了工作效率。因此，当鼓风机组件52和54二者工作以提供燃料和燃烧空气给燃烧器组件42时，产生最大工作效率。
在那种操作期间，应该理解，为了避免回流到无论哪个鼓风机组件中，燃烧器组件42的每个内区82和84中的压力都必须大于燃烧室32内的压力。
因此，可以看出，本发明的设备和方法很容易实现上述及本文固有的那些目的和优点。尽管对本发明来说已经示出和说明了本发明的某些优选实施例，但该领域的技术人员可以在零部件和步骤的安排和构造上进行许多改变，该许多改变用如下面权利要求书所述的本发明的范围和精神实施。

Claims (19)

1.一种燃烧器组件，包括：
第一多孔外壁部分；
第二多孔外壁部分；
其中，该第一和第二多孔外壁部分各是圆筒形的，第一和第二多孔外壁部分一起构成多孔燃烧器壁；
分开第一和第二内区的至少一个内壁，该第一和第二内区相应地邻近该第一和第二多孔外壁部分；
与第一内区连通的第一燃料和空气入口通道；
与第二内区连通的第二燃料和空气入口通道；和
其中该第一内区是圆筒形状的并具有由该至少一个内壁封闭的端部；和
其中该第二内区是圆筒形状的并具有由该至少一个内壁封闭的端部。
2.如权利要求1所述的燃烧器组件，其中：
该第二燃料和空气入口通道包括从该至少一个内壁穿过该第一内区轴向延伸的供应导管。
3.如权利要求1所述的燃烧器组件，还包括：
邻近第一多孔外壁部分的直接火花点火元件。
4.如权利要求1所述的燃烧器组件，其中：
该多孔燃烧器壁是连续的圆筒形多孔燃烧器壁。
5.如权利要求1所述的燃烧器组件，还包括：
限定燃烧室的圆筒形热交换器壁，在燃烧室中容纳该第一和第二多孔外壁部分，热交换器壁具有该第一多孔外壁部分容纳于其内的第一较小直径部分，和热交换器壁具有该第二多孔外壁部分容纳于其内的第二较大直径部分；和
其中该第一和第二多孔外壁部分具有相等的直径。
6.如权利要求1所述的燃烧器组件，其中：
该第一和第二多孔外壁部分具有相等的直径。
7.如权利要求1所述的燃烧器组件，还包括：
与该至少一个内壁分开的集管装置壁；和
其中该第一内区具有由该集管装置壁封闭的另一端。
8.如权利要求7所述的燃烧器组件，其中该集管装置壁包括安装凸缘。
9.如权利要求1所述的燃烧器组件，其中该组件具有限定圆筒形内区的中心轴线的纵向轴线；和
该至少一个内壁垂直于该纵向轴线延伸。
10.如权利要求1所述的燃烧器组件，其中该第二内区包括被多孔材料覆盖并且包括一部分第二多孔外壁部分的第二端。
11.一种操作燃烧器设备的方法，该方法包括：
(a) 提供根据权利要求1所述的燃烧器组件；
(b) 以相对低的流速范围内的流速供应预混合的燃料和空气给燃烧器组件，当燃烧器组件在相对低的流速范围内操作时仅第一内区接收预混合的燃料和空气；和
(c) 以相对高的流速范围内的流速供应预混合的燃料和空气给燃烧器组件，该相对高的流速范围的高端高于该相对低的流速范围的高端，当燃烧器组件在相对高的流速范围内操作时第一内区和第二内区都接收预混合的燃料和空气。
12.如权利要求11所述的方法，其中：
在步骤（b）期间，当燃烧器组件在相对低的流速范围内操作时到燃烧器组件的燃料和空气的流动是可连续地调节的。
13.如权利要求11所述的方法，其中：
在步骤（c）期间，当燃烧器组件在相对高的流速范围内操作时到燃烧器组件的燃料和空气的流动是可连续地调节的。
14.如权利要求11所述的方法，还包括：
在步骤（c）之前，点燃从第一多孔外壁部分排出的燃料和空气从而产生第一火焰；和
在步骤(c)期间，用第一火焰点燃从第二多孔外壁部分排出的燃料和空气。
15.如权利要求14所述的方法，其中：
点燃从第一多孔外壁部分排出的燃料和空气的步骤包括以直接火花点火装置点燃。
16.一种燃烧器设备，包括：
根据权利要求1所述的燃烧器；和
鼓风机和控制系统，构造成以相对低的流速范围内的可调节的流速仅向第一内区供应预混合的燃料和空气，和以相对高的流速范围内的可调节的流速向第一和第二内区都供应预混合的燃料和空气，该相对高的流速范围的高端高于该相对低的流速范围的高端。
17.如权利要求16所述的设备，还包括：
邻近第一多孔外壁部分的直接火花点火元件。
18.如权利要求16所述的设备，还包括：
燃烧室，燃烧器组件延伸进入该燃烧室。
19.如权利要求17所述的设备，其中：
第二多孔外壁部分的外表面积是在第一多孔外壁部分的外表面积的4-6倍范围内。
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