CN104541103B - 表面燃烧的气体燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种表面气体燃烧器，其包括燃烧网格，该燃烧网格由穿透有一系列槽(2)的金属片组成。该燃烧器的特征在于所述金属片包括一系列导流板(3)，所述导流板与所述金属片制成一件，并且从所述金属片的外表面(12)突出，每个导流板(3)在槽(2)的整个表面上纵向地和侧向地延伸，并且特征在于所述导流板(3)包括用于引导气流的引导部分和连结至金属片(1)的连结部分，所述引导部分从所述金属片隔开，使得以提供其至少一个侧向气体喷射端口(40、40')，所述导流板成对设置，使得同一对的所述侧向气体喷射端口彼此面对。

Description

表面燃烧的气体燃烧器
技术领域
本发明属于表面燃烧的气体燃烧器领域。
背景技术
术语“气体燃烧器”是指实际上供应有预混合的气体-空气混合物的燃烧器。在随附的说明书和权利要求书中，处于简化的目的所使用的术语“气体”实际上是指预混合的气体-空气混合物。
与喷火式火焰燃烧器相比，所谓的“表面燃烧”的燃烧器是指在燃烧表面或燃烧网格上发生燃烧，气体-空气混合物在压力作用下被引导通过燃烧表面或燃烧网格。
这种类型的燃烧器被发现特别地用于但不专用于气体热水器。这种燃烧器产生燃烧气体，该气体加热热交换器，将被加热的流体流经所述热交换器。
在这种类型的气体燃烧器中，在燃烧表面上的火焰保持性能决定了所使用的燃料(在该情况下为气体)的燃烧质量以及燃烧器的功率变化范围。
此外，该燃烧的质量，也即更多或更少的排放进大气中的污染气体，取决于燃烧器的火焰保持性能、燃烧器的形状以及燃烧发生处的箱室(或燃烧室)的容积。
“火焰保持”是指火焰的基底保持在燃烧表面附近的能力。
从现有技术中已知两种非常常见类型的表面燃烧燃烧器。
第一类型的燃烧器包括燃烧表面(或燃烧网格)，该燃烧表面由打有不同大小的小孔以及不同尺寸的狭缝的不锈钢片组成。这样的燃烧器是例如柱形形状的。小孔区域和狭缝区域的特定的关联处以及其横截面从而更大，使得其能够适当地保持火焰，但是仅仅适用于很窄的功率变化范围，也1-3的数量级。
这种类型的燃烧器具有下文中所述的缺点。
当该燃烧器在低功率下使用时，也即具有低流率的气体-空气预混时，其表面遭受非常强的温度提升，(数百度)，该温度提升与和不锈钢片接触的火焰一起，这导致回火进燃烧器，这种回火甚至可能导致燃烧器的毁坏。
相反地，当燃烧器在高功率下使用时，存在火焰从燃烧器的表面分离的风险，这种情况当气体的离开速度比火焰传播速度高得多时发生，并且这具有产生相当多的污染气体排放的影响，特别是氮氧化物(NOx)和一氧化碳(CO)。
考虑到上述的缺点，对于给定的燃烧器设定的可用功率范围从而相当受限。
第二种已知类型的燃烧器由穿孔的钢片组成，该钢片覆盖有放置在穿孔片的外表面上的不锈钢纤维层。该纤维层具有1mm-2mm的数量级的厚度，并且用作相当高性能的火焰保持器，以及用作热绝缘体，以减低穿孔片的温度上升并且从而减少回火的风险。
这种类型的燃烧器相比于第一类型的燃烧器允许更宽的功率变化范围，也即1-5的数量级，或甚至1-10的数量级，取决于所使用的钢纤维的质地。然而，钢纤维是昂贵的，这提高了燃烧器的总成本。
发明内容
本发明从而具有提供一种解决了上述缺点并且特别地允许多个目的同时实现的表面燃烧气体燃烧器的目的，也就是说：
—很高的火焰保持性能，但是火焰略微从燃烧器分离，从而以降低其燃烧表面的温度，
—可以在宽的功率变化范围上使用该燃烧器，
—由于其工作温度的大幅降低导致的增加的燃烧器寿命，这在所使用的所有功率设定下都是可行的，
—适应具有形状变化、以及小的和非常大的尺寸的燃烧器的燃烧方案，
—污染气体(特别是CO和Nox)排放的大幅降低，以及
—低成本，比具有钢纤维覆盖层的燃烧器低得多。
为此，本发明涉及一种表面燃烧气体燃烧器，其包括燃烧网格，该燃烧网格由金属或难熔材料制成的片组成，所述片穿孔有一系列狭缝。
根据本发明，所述片包括一系列导流板，所述导流板与所述片成一体，并且从其外表面突出，每个导流板在狭缝的整个表面上侧向和纵向地延伸；每个导流板包括气流引导部分和将其连接至片的部分，所述引导部分从所述片隔开以与其形成至少一个侧向气体喷射开口；以及所述导流板成对布置，使得它们的侧向气体喷射开口彼此面对。
由于本发明的这些特征，该燃烧器可在非常高的功率下使用，并且没有火焰分离，并且相反地在非常低的功率下使用而没有回火，这保证了其坚固和耐用。
根据本发明的其他有利和非限制性特点，单独考虑或组合考虑：
—每个导流板成形为使得所述气流引导部分的内表面的母面平行于狭缝的平面，该导流板在该狭缝上方延伸；
—所述导流板是由片状金属带组成的桥，所述片状金属带具有中央部分和附接到狭缝两端的两端，所述导流板在该狭缝上延伸，所述中央部分构成气流引导部分，并且两端构成连接至片的部分，并且两个侧向气体喷射开口设置在所述桥的一侧上；
—每个桥的宽度等于狭缝的宽度，该桥定位在该狭缝上；
—桥的宽度L1与侧向气体喷射开口的高度H2的比例至少等于0.5；
—所述导流板具有罩的形式，并且包括用于引导气流的纵向部分(优选是平坦的)，该纵向部分通过其纵向侧面之一而被连接到片；
—所述导流板具有鳃的形式；
—所述片还穿孔有一系列端口，该端口延伸进从片的外表面突出的排气微管，并且所述排气微管的中心轴线垂直于所述片；
—排气微管的从片的外表面突出的部分的高度H3与该微管的内径D的比例被包括在0.2到1之间，并且优选地等于1；
—狭缝和端口成组，以形成图案，每个图案包括延伸进定位在由导流板盖住的两个狭缝之间的微管中的至少一个端口；
—每个图案包括两个开口，每个开口都延伸进由导流板盖住的两个狭缝之间的微管，两个狭缝都平行于这两个端口的对齐轴线；
—所述燃烧网格具有柱形形状；
—所述燃烧网格是平坦圆形形状、半球形圆形形状、或二面形状。
附图说明
本发明的其他特征和优势将从下文中借由指示但是以非限制性的方式给出的其多个可能的实施例的描述，并参考示出实施例的附图，而变得显而易见。
在图中：
图1是根据本发明的燃烧器的燃烧网格的一部分的俯视图，
图2、3和4是同一燃烧网格沿图1的截面II–II、III–III和IV–IV反射地截取的剖视图，图3和4被以更大的比例示出，
图5是示出了用于将火焰保持在燃烧器网格的表面上的原理的示意图，
图6、7分别是设置在根据本发明的燃烧网格的第二实施例的透视图和沿图6的截面VII-VII截取的剖面图，图7被以更大的比例示出，
图8是设置在根据本发明的燃烧网格中的开口的第三实施例的透视图，
图9-11示出了燃烧网格的不同变型实施例，分别是柱形形状，平坦圆形形状，以及具有倒圆顶峰的二面形状，以及
图12是示出了对于现有技术中的燃烧器和符合本发明的一个燃烧器的以燃烧器的气体功率P为函数的一氧化碳(CO)排放的图表。
具体实施方式
根据本发明的气体燃烧器的第一实施例将参考图1-4而被描述。
该燃烧器包括燃烧网格。其连接至构造为将压力下的气体-空气混合物(例如天然气和空气)传输进燃烧器内的装置(未示出)，例如风扇。气体混合物穿过网格的端口和开口，并且由于本领域技术人员已知的点火系统，燃烧从燃烧网格的外表面开始。
该燃烧网格由由金属，例如由不锈钢或由难熔材料制成的片(或板)1。所述内表面和外表面分别标记为11和12。
该片1穿孔有一系列大体上矩形形状的狭缝2，每个狭缝2具有两个纵向边缘23、24。
每个狭缝2盖有桥3或“小桥”，该桥3与所述片1成一件(一体形成)并且从片的外表面12突出。
如下文中将更详细地描述的，桥3起到用于气体穿过片1的导流板的作用。
每个桥3包括片状金属带，其弯曲或形成为使得其凹度朝向狭缝2定向。桥具有中央部分(部)30和分别附接至狭缝2的两端21和22的两端31、32，其中该桥在所述狭缝2上纵向地和侧向地延伸。中央部分30组成了气流引导部分，并且端部31、32组成了到片1的连接部分。
优选地，狭缝2通过使用合适的冲模而制成，为了简化的目的该冲模在图中未示出。
优选地，桥3的宽度L1等于狭缝2的宽度L2(见图3)，所述桥定位在该狭缝上。
冲模的行程限定了空间4的高度H2，该空间4设置在桥3(更精确地其中央部分或部30)和狭缝2之间。
桥3和片1的位于靠近桥的外表面12之间的空间允许在空间4的任意一侧上限定两个开口(或孔)40和40'，它们被称为“侧向气体喷射开口”(见图3)。
这些侧向气体喷射开口40和40'分别位于平面P1和P2中，平面P1和P2相互平行并且还垂直于狭缝2的平面P3。在权利要求和说明书的剩余部分中，狭缝2的该平面P3被认为处于片1的外表面12处。
有利地，并且如在图1中更好地看出的，所有的桥3都具有相同的长度，并且布置为平行于彼此并且与垂直于它们的中间轴线Y-Y'对齐。
不同的桥3从而布置为行81或排(图1中为水平的)的形式。
桥3布置成对，其侧向开口40、40'面向彼此。
还优选地，不同行81中的桥3与垂直于Y-Y'的纵向轴线X1-X'1或X2-X'2对齐，以限定桥的列82(图1中为竖直的)。
有利地，但并非强制地，桥3以恒定的间隔E1和E2(E1＝E2)布置。
根据本发明的简化变型，片或板1仅设置有狭缝2和桥3。然而，有利地，具有特定几何形状的另一种穿孔也在整个片1中实现。
这些端口5延伸进从片1的外表面12突出的排气微管6。
优选地，这些端口5是圆形的并且排气微管6是柱形的，从而它们具有垂直于片1的中心轴线或旋转轴线Z-Z'(特别地见图3和4)。
排气微管6从而组成气体微注射器。这些微管6具有在它们形成的位置处大幅增加片1的厚度的效果。
端口5和微管6例如通过拉拔而获得，其中拉拔具有伸展片材的效果。
因此，这些微管6的在与片1的外表面12交接的基部的外径D1大于微管在端部处的外径D2。微管的壁的厚度从而是截头圆锥体的。
狭缝/桥以及端口/微管可布置在片1上并且成组，以形成不同的图案7。
根据示于图1的本发明的优选变型实施例，微管6组成对，并且沿着轴线X-X'两两对齐，而同时狭缝2和桥3定位在该对端口5/微管6的任一侧上，从而它们的纵向轴线X1-X'1或X2-X'2平行于轴线X-X'。
也可以在两个桥3之间具有仅一个微管6或多于两个微管6。
此外，这些图案7能够重复地布置在板1上，从而第一图案7的左桥3a和右桥3b各自的纵向轴线X1-X'1和X2-X'2之间的空间E1等于该图案7的右桥3b的纵向轴线X2-X'2和位于第一图案7的右侧的第二相邻图案7'的左桥3a的纵向轴线X1-X'1之间的空间E2。换句话说，微管6的两个对齐轴线X-X'之间的空间E3是同一对的两个桥(左桥3a和右桥3b)之间的空间E1的值的两倍。该特征并非是强制的。
在示于图1的示例中，可以看出在第一图案的右桥3b和相邻图案7'的左桥3a之间没有端口5和微管6。换句话说，沿着平行于X2-X'2的轴线X3-X'3，没有气体离开端口。这样的布置从而使得可以增加在燃烧器的具有图案7和7'的部分的气流，并且相反地提供很少气体释放的具有轴线X3-X'3的区域。
然而，如从示出其中燃烧器具有柱形形状的示例性实施例的图9中可以看出，还可以在桥3的总体之间提供开口5/微管6对。与端口5和微管6远离行X3-X'3的具有低透明度系数的排81相比，获得了具有非常高透明度系数的区域或排81'。具有不同的透明度系数的这些排能够以不同的方式交替。透明度系数是指端口的总区域和板1的总区域之间的比值。
还可以想到其他的变型实施例。例如，图11示出了具有平坦圆形表面的燃烧器的情况。在该情况下，图案7的不同的排81或81'与彼此平行地对齐。然而，还可以提供所有的轴线X-X'、X1-X'1、X2-X'2、X3-X'3将是径向的并且在圆形燃烧器的中心交叉的径向布置。
应当注意到，狭缝、桥、端口开口和微注射器的尺寸比例起到改进燃烧性能的作用。
因此优选地，比例L1/H2至少等于0.5。还优选地，比例H3/D包括在0.2到2之间，优选地等于1。
导流板的不同于桥3的其他实施例，现在将参考图6-8进行描述。
根据示于图6的第一实施例，标记为3'的导流板具有“罩”或“蓬”的形式，并且包括优选地平坦的纵向部分30'，该纵向部分在狭缝2的整个长度上纵向延伸并且使得其能够引导气流。该导流板沿着其纵向侧之一与其一体形成的片1通过拱形部分33'连接。
空间4'设置在部分30'和狭缝2之间，并且在部分30'和片1之间具有单个侧向气体喷射开口41。
这两个导流板3'定位为面向彼此，使得它们各自的开口41面向彼此。当出现微管6时，这两个导流板3'也有利地平行于所述微管的对齐轴线X-X'。
根据示于图9的第二变型实施例，导流板通过其连接至板1的圆弧形部分33”而具有不同于蓬或罩3'的“鳃”的形状3”。
最后，将注意到无论用于生产导流板3、3'、3”的技术和/或手段为何，导流板都覆盖了狭缝2的表面区域的全部。
图1的视图示出了片1的仅仅一部分，因为从顶部观察，因此是平坦的。然而，由该片制成的燃烧器可具有不同的几何形状。
根据示于图9的一个优选变型实施例，燃烧器的燃烧网格具有柱形的形状；其上表面插接有圆盘，并且其侧壁具有上述的穿孔图案7、7'。将注意到，仅可能在该柱体的圆弧部分上提供这些图案。
有利地，桥(以及因此狭缝2)的轴线X1-X'1和X2-X'2平行于柱形燃烧器的旋转轴线。
图10示出了燃烧网格是圆形且平坦的燃烧器。虽然未示出，该网格还可略微成圆顶，从而其外表面是凸起的，其凹度朝向气体供给(朝向图10的底部)定向。
最后，如图11所示，板1可略微地纵向拱起成二面形状，以呈现具有圆形上顶部的大致三角的直区段。
符合本发明的燃烧器的操作如下。
如可从图3和5中看出的，通过端口5并来自微管6的气体逃逸发生在垂直于片的平面并且从而垂直于其外表面12的方向上(箭头F3)。
此外，垂直于片1的平面离开狭缝2的气体击打导流板，更精确地击打在所述狭缝的整个表面上延伸的其中心气流引导部分30，从而其不能垂直于片1逃逸。
为此，气体的逃逸通过侧向气体喷射开口40和40'在桥3的任一侧发生。
通过前方没有微管6的开口40，该气体逃逸平行于片1的外表面12(箭头F1)发生，或者如果片1是弯曲的(在柱形燃烧器的情况下)，切向于片1的外表面12发生。该通过侧向气体喷射开口40的气体逃逸从而垂直于离开相邻微管6的气体射流的轴线(箭头F3)发生或如果气体逃逸是切向的则准垂直于该方向F3发生。
此外，离开位于微管6的前方的开口40'的气体还平行于或切向于表面12导向，接着，一旦气体击打到微管6，则向外偏转(箭头F2)，平行于离开微管6的射流(箭头F3)。此外，如还可从图1中看出的，离开两个管6之间的开口40'的气体还在箭头F1的方向上导向。
优选地，如在图7看出的，导流板的引导部分30'的内表面110的母面G平行于狭缝2的平面P3延伸。对于导流板的其他实施例也是如此。
从而，趋于在平行于气体所覆盖的导流板的表面的方向上偏转的气体平行于片1(或切向于其，如果片1是弯曲的)被引导(箭头F1)。
假如气流的主要部分如前述被引导，母面G还可准平行于平面P3(略微的角度变化是可能的)。
在沿着轴线X-X'的行中的燃烧区域不仅接收微管6对的气流，还接收离开在两侧上的桥3的气流。在图5中由火焰91示出的该燃烧区域被称为“主气流类型”。
这使得可以产生通过微管6的强气流，并且来自于桥3的额外气流加强火焰到微管6的尖端的粘附并具有良好的性能，甚至对于非常大的气流范围也是如此。
有利地，这些主气流类型燃烧区域91与称为“次气流类型”的燃烧区域92交替，其沿着轴线X3-X'3延伸并且仅接收桥3的气流(图1、3、5中的箭头F1)。
平行于或切向于片1的壁并且来自于侧向开口40(见箭头F1)的这两支气流的面对面相对导致靠近片1的外表面12处在没有穿孔的区域中的燃烧。该火焰92的基部920从表面12略微分离，因为该表面没有微管6的大气流。此外，在燃烧网格1的内表面11的侧面上循环的气体有助于冷却该壁，该壁仅仅略微地发红。
气体在燃烧网格的片1的表面处的双向分布(箭头F1和F3)使得可以完美地控制火焰的保持并且从而允许在非常大的气流(以及从而功率)变化范围内的燃烧，而不会发生回火或火焰分离。
对于给定的燃烧器区域，取决于对于所需的不同的功率范围的气流，透明度系数对于获得的燃烧行为起到很重要的作用。
对于现有技术的燃烧器，透明度系数越大，最大功率越高。然而，如果要避免回火，最小功率也必须较高。因此，对于给定的燃烧器，功率变化范围降低。
相反地，对于本发明，变得可以在非常大的功率变化幅度上使用燃烧器。
对桥3的描述的操作与罩3'或鳃3”相同。因此，在罩或鳃之间没有微管6的情况下，仅产生次气流类型燃烧区域，并且当它们出现时，产生主气流区域。
在这优秀的火焰保持性能之外还添加有具有低的一氧化碳CO排放的低污染率。
在下文的话题中，参考图12的曲线，其代表作为以kW表示的燃烧器功率的函数的以ppm表示的CO排放量(使用标准分离气体G321进行对比实验，该分离气体在用于标准化测试的实验室中使用)。
曲线C1是根据现有技术的燃烧器获得的，现有技术的燃烧器的燃烧网格是仅具有一系列狭缝和端口而没有桥和微管的穿孔片。可以观察到当功率超过5kW时CO排放曲线逐渐增加，该增加从5kW到30kW，从而确认了由火焰分离产生的燃烧清洁中的腐蚀(因为发生回火，低于5kW的CO值不能被估计)。
相反地，曲线C2示出了使用根据本发明的具有双微管和双桥的交替图案，并具有先前给出的优选的尺寸的燃烧器获得的结果。可以观察到CO排放对于1-30kW的功率变化仅从0ppm-6ppm变化。对于NOx进行的其他测试示出了使用根据本发明的燃烧器后NOx降低了一半。
这些结果清楚地示出了火焰的优秀的火焰保持性能以及由其导致的燃烧的清洁。
这种类型的燃烧器的一个特别的应用涉及热交换器，并且特别地涉及家用和工业热水器的热交换器。可以在低功率下操作根据本发明的燃烧器，例如以产生良好隔热的房子的中央加热器所需的热水，或在家用热水需求的情况下以非常高的功率瞬时操作该燃烧器，具有“闪”类型的生产。
能够预期该燃烧器的其他变化或变型的应用。仅仅例示地，其可用于例如玻璃或用于热处理玻璃的生产线或甚至用于在农业食品工厂中使用的通过表面燃烧的烹饪中。

Claims (15)

1.一种表面燃烧气体燃烧器，包括由难熔材料制成的片(1)，其表面发生燃烧，该片(1)穿孔出一系列狭缝(2)，其特征在于所述片包括一系列导流板(3、3a、3b、3'、3”)，所述导流板与所述片成一体，并且从所述片的外表面(12)突出，每个导流板(3、3a、3b、3'、3”)在狭缝(2)的表面的全部上侧向和纵向地延伸；每个导流板(3、3a、3b、3'、3”)包括气流引导部分(30、30')和将所述导流板连接至所述片的部分(31、32、33'、33”)，所述引导部分(30、30')与所述片(1)隔开以与所述片形成至少一个侧向气体喷射开口(40、40'、41)；并且所述导流板(3、3a、3b、3'、3”)成对布置，从而所述导流板的侧向气体喷射开口(40、40'、41)彼此面对，以及从而从所述侧向气体喷射开口(40、40'、41)流出的气体射流相对，以及所述片(1)还被穿孔出一系列端口(5)，所述端口延伸进排气微管(6)，所述排气微管从所述片的外表面(12)突出，并且所述排气微管的中心轴线(Z-Z')垂直于所述片。
2.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于燃烧网格由金属制成的片(1)组成。
3.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于每个导流板(3、3a、3b、3'、3”)成形为使得所述气流引导部分(30、30')的内表面(110)的母面(G)平行于所述狭缝(2)的平面(P3)，所述导流板在该狭缝上方延伸。
4.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于所述导流板是由片状金属带组成的桥(3、3a、3b)，所述片状金属带具有中央部分(30)和附接到所述狭缝(2)两端(21、22)的两端(31、32)，所述导流板在该狭缝上方延伸，所述中央部分(30)构成气流引导部分，并且所述两端(31、32)构成连接至所述片(1)的部分，并且两个侧向气体喷射开口(40、40')形成在所述桥(3、3a、3b)的任意一侧上。
5.根据权利要求4所述的气体燃烧器，其特征在于每个桥(3、3a、3b)的宽度(L1)等于所述狭缝(2)的宽度(L2)，所述桥定位在该狭缝上。
6.根据权利要求4所述的气体燃烧器，其特征在于所述桥(3、3a、3b)的宽度(L1)与所述侧向气体喷射开口(40、40')的高度(H2)的比例(L1/H2)至少等于0.5。
7.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于所述导流板(3')具有罩的形式，并且包括纵向部分(30')，该纵向部分用于引导气流，并且通过其纵向侧之一而被连接到所述片(1)。
8.根据权利要求7所述的气体燃烧器，其特征在于所述纵向部分(30')是平坦的。
9.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于所述导流板(3”)具有鳃的形状。
10.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于所述排气微管(6)的从所述片(1)的外表面突出的部分的高度(H3)与所述微管的内径(D)的比例被包括在0.2到1之间。
11.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于所述排气微管(6)的从所述片(1)的外表面突出的部分的高度(H3)与所述微管的内径(D)的比例等于1。
12.根据权利要求1所述的气体燃烧器，其特征在于所述狭缝(2)和所述端口(5)成组，以形成图案(7、7')，每个图案(7、7')包括至少一个端口(5)，所述至少一个端口延伸进定位在由导流板(3、3a、3b、3'、3”)盖住的两个狭缝(2)之间的微管(6)中。
13.根据权利要求12所述的气体燃烧器，其特征在于每个图案(7、7')包括两个端口(5)，每个端口都延伸进微管(6)，所述微管定位在由导流板(3、3a、3b、3'、3”)盖住的两个狭缝(2)之间，这两个狭缝都平行于这两个端口(5)的对齐轴线(X-X')。
14.根据前述权利要求1-13中的任一项所述的气体燃烧器，其特征在于所述片(1)具有柱形形状。
15.根据权利要求1到13的任一项所述的气体燃烧器，其特征在于所述片(1)是平坦的圆形形状，半球形形状，或二面形状。
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