CN105805947A - 全预混燃烧换热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全预混燃烧换热装置，包括相互连通的预混器、燃烧器、换热器和排放口；预混器设置有预混腔，预混腔与燃烧器之间通过极限通径连通；燃烧器包括燃烧筒和设置于该燃烧筒内的挡板，燃烧筒的一端与预混腔通过极限通径连通，另一端与换热器连通，挡板上设置有若干通孔，混合气体流经过该通孔燃烧时在挡板下游形成用于点火源的回流区；换热器设置有换热腔，换热腔的一端与燃烧筒连通，另一端与排放口连通。本发明通过在预混器与燃烧器之间设置极限通径以避免燃烧器回火问题，同时改进燃烧器结构，以解决燃烧器脱火问题，使燃烧安全可靠。

Description

全预混燃烧换热装置

技术领域

本发明涉及燃烧装置技术领域，具体涉及一种全预混燃烧换热装置。

背景技术

全预混燃烧是指燃气在进入燃烧器前与空气充分混合，在燃烧过程中不再需要供给空气的燃烧方式，全预混燃烧的火焰传播速度快，燃烧室容积热强度高，且能在较小的过剩空气系数下达到完全燃烧，因此燃烧效率高；但是由于全预混燃烧装置燃烧时火焰稳定性较差，易发生回火、脱火，甚至引爆预混腔，存在安全隐患。特别是针对目前燃气热水器行业，目前全预混燃气热水器的燃烧器一般为多孔状、网状或口琴状，燃烧时都以一整块燃烧为主，由于目前在全预混行业领域没有具体的混合气体流速指标以及具体实施标准，故目前推出的全预混燃烧器都没有在根本上解决回火与脱火两大难题，混合腔与燃烧器之间没有设置用于防止回火的特定结构或保护环节，保持不回火或不脱火的方法主要是恒定预混器内混合气体的压力，所以燃烧时只能在火口处且在一个比较狭隘的混合气压力范围内不回火和不脱火，混合气压力过低就会回火，过高就会脱火；且目前的结构在燃烧口处很难设置冷却水道，所以燃烧时间久了就会使整体燃烧器温度过高，造成更容易回火。因此目前行业内的全预混燃烧器不适应功率输出有较大变化的燃烧要求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种全预混燃烧换热装置，通过在预混器与燃烧器之间设置极限通径以避免燃烧器回火问题，同时改进燃烧器结构，以解决燃烧器脱火问题，使燃烧安全可靠；进一步的目的，本发明在预混器内设置有与换热腔连通的带流量调节装置的空气通道，以使本装置可适合燃烧各种所需不同空气比例的燃料；进一步目的，本发明预混器内还设置有单管螺旋状或多管岐连状混合管，可使燃气与空气充分混合；进一步的目的，本发明的燃烧器外围还设置有水冷通道，以降低燃烧器、极限通径及预混器温度，进一步降低回火的可能性，并大大增加燃烧器使用寿命，还有利于余热利用；进一步的目的，本发明还采用燃烧器与换热器一体化设计，这样设计可使燃烧器倒置向下燃烧，水流依次从下向上逐级流动换热，从而使换热器对高温烟气中的水蒸气具有良好的冷凝效果，进一步利用了水蒸气的潜热能；而且一体化水冷通道和冷凝结构设计可使本装置的预混器和排放口温度都很低，故可以采用塑料材质制成，降低制作成本。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种全预混燃烧换热装置，包括相互连通的预混器、燃烧器、换热器和排放口；预混器设置有预混腔，预混腔与燃烧器之间设置有极限通径，预混腔与燃烧器之间通过极限通径连通，预混腔内混合气体流经该极限通径的速度大于该混合气体燃烧时的火焰传播速度；燃烧器包括燃烧筒和设置于该燃烧筒内的挡板，燃烧筒的一端与预混腔通过极限通径连通，另一端与换热器连通，挡板上设置有若干通孔，混合气体流经该通孔燃烧时在挡板下游形成用于点火源的回流区；换热器设置有换热腔，换热腔的一端与燃烧筒连通，另一端与排放口连通。

其中，预混腔并联连接有多个燃烧筒，每个燃烧筒各自通过极限通径与预混腔连通，每个燃烧筒内设置有带通孔的挡板。

优选的，挡板与极限通径相对设置，挡板上的通孔均匀地排列在相对于挡板中心的周圈位置。

进一步的，预混器内还设置有与换热腔连通的空气通道，预混器上还设置有用于调节空气通道流量大小的调节滑块。

进一步的，预混腔包括有依序连通的入口通道、混合通道和出口通道，出口通道与燃烧筒密闭衔接，极限通径设置于出口通道内或延伸于燃烧筒内。其中，入口通道或混合通道内设置有旋转搅拌装置。或者，混合通道内设置有单管螺旋状或多管歧连状的混合管。还可以，出口通道末端即为所述燃烧筒，所述挡板设置于出口通道内。

进一步的，燃烧器还设置有水冷通道，每个燃烧筒外周各自被水冷通道包围。

进一步的，换热器与燃烧器为一体设置；换热腔的周壁为冷却护壁，该冷却护壁包括导热薄板和贴覆于导热薄板上的若干冷却水管；换热腔内还装设有若干换热通管；所述换热通管和冷却水管与水冷通道相互一体连通。

采用上述技术方案后，本发明和现有技术相比所具有的优点是：

由前述可知，目前全预混燃烧器领域特别针对燃气热水器行业，燃烧器结构一般为多孔状、网状或口琴状，预混器与燃烧器之间没有特定结构的保护环节，保持不回火或不脱火的方法主要是恒定预混器内混合气体的压力，一旦压力过小就会导致混合气体流经燃烧口的速度小于火焰传播速度，从而引发燃烧口回火并直接引燃预混腔，一旦压力过大就会导致混合气体流经燃烧口的流速过快，引发脱火现象，因此目前全预混燃烧器不适应热量变化较大的燃烧要求，有很大安全隐患。本发明通过在预混器与燃烧器之间设置极限通径，其作用是在预混腔与燃烧器之间设置一道保护墙，杜绝回火的发生，具体是根据最小燃烧功率要求通过实验和计算求得混合气体最小单位流量和需要的最小速度(该最小速度经实验所得一般取该混合气体在燃烧时本环境下火焰传播速度的的1.1到1.2倍)，由流体连续性方程原理求得该最小单位流量以最小速度所通过的口径即为极限通径，因此极限通径内混合气体流经速度始终大于该混合气体燃烧时火焰传播速度；所以本发明在保证混合气体流量需要的同时，也避免了回火现象发生。本发明同时还改进燃烧器结构，以解决现有的燃烧器脱火问题；本发明的燃烧器设置有燃烧筒并在每个燃烧筒内设置挡板，挡板上设置有一定方向的通孔，混合气体在流经挡板的通孔燃烧时，一方面受到燃烧筒包覆作用的而不会外散，另一方面由于气体流动时的粘滞性，当气流高速通过挡板上的一定方向的通孔后，会与未开设通孔的挡板下游区域形成压差，因而混合气流在压差作用下在燃烧筒内的挡板下游区形成稳定的团式回流区，由于回流的是高温燃烧产物，因而可在燃烧筒内的挡板下游区形成一个稳定的连续的点火源，以保障混合气体在流经挡板通孔后稳定地燃烧，避免脱火现象发生，使燃烧安全可靠；经实验所得本发明的团式回流区是在燃烧筒周圈封闭式的筒壁保护下与挡板和挡板上一定方向的通孔相互配合后才能稳定形成。因此本发明的全预混燃烧换热装置很适用于燃烧时热量要求变化较大的燃烧环境，这种燃烧要求特适合于燃气热水器领域。本发明进一步的优势还在于在预混器内设置了与换热腔连通的带有流量调节装置的空气通道，这样设置可使本发明适合燃烧各种所需不同空气比例的燃气，这特适合于我国各地区不同燃气的燃烧需求，可谓各种燃气一机兼容。本发明的其它优势还有混合气经过混合管后能够充分混合，本发明的混合管为固定式，无需附加能量，且寿命长，安全可靠；本发明的多个燃烧筒设置可降低每个燃烧筒热负荷并提高整体燃烧器的热强度和热功率，使燃料利用率高、燃烧速度快，温度高、火焰短，从而使换热腔的体积大大缩小，有利于整个装置的体积小型化；本发明燃烧器外围还设置有水冷通道，有效降低燃烧器、极限通径及预混器温度，以进一步降低回火的可能性，并增加燃烧器使用寿命，还有利于余热利用；本发明还采用燃烧器与换热器一体化设计，这样设计可使燃烧器倒置向下燃烧，水流依次从下向上逐级流动换热，从而使换热器对高温烟气中的水蒸气具有良好的冷凝效果，进一步利用了水蒸气的潜热能；而且一体化水冷通道和冷凝结构的设计可使本装置的预混器和排放口温度都很低，故可以采用塑料材质制成，降低制作成本。

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为本发明的平面结构示意图；

图2为本发明的立体结构剖视示意图；

图3为本发明的局部结构立体剖视示意图。

图中：1、预混器；11、预混腔；12、极限通径；13、空气通道；14、调节滑块；15、混合管；112燃气管；17、鼓风装置；111、入口通道；112、混合通道；113、出口通道；2、燃烧器；21、燃烧筒；22、挡板；23、通孔；3、换热器；31、换热腔；32、换热通管；33、冷却水管；34、导热薄板；35、水冷通道；36、隔断；37、进水口；38、出水口；4、排放口；41、冷凝水收集管。

具体实施方式

以下所述仅为本发明的较佳实施例，并不因此而限定本发明的保护范围。

参见图1-图2，一种全预混燃烧换热装置，包括相互连通的预混器1、燃烧器2、换热器3和排放口4，其中预混器1还与燃气管16和鼓风装置17连接；预混器1设置有预混腔11，燃气管16被用于控制地向预混腔11内输送特定流量的燃气，鼓风装置17被用于控制地向预混器1内输送特定流量的空气。

预混器1与燃烧器2之间设置有极限通径12，预混腔11与燃烧器2之间通过极限通径12连通，预混腔11内混合气体流经该极限通径12的速度大于该混合气体燃烧时的火焰传播速度；燃烧器2包括燃烧筒21和设置于该燃烧筒21内的挡板22，燃烧筒21的一端与预混腔11通过极限通径12连通，另一端与换热器3连通，挡板22上设置有若干通孔23，混合气体流经该通孔23燃烧时在挡板22下游形成用于点火源的回流区；换热器3设置有换热腔31，换热腔31的一端与燃烧筒21连通，另一端与排放口4连通。

本全预混燃烧换热装置通过在预混腔11与燃烧器2之间设置极限通径12，保证混合气体流量需要的同时，也避免了回火现象发生，具体是根据本装置最小燃烧功率要求通过实验和计算求得混合气体最小单位流量和需要的最小速度(该最小速度经实验所得一般取该混合气体在燃烧时本环境下火焰传播速度的的1.1到1.2倍)，由流体连续性方程原理求得该最小单位流量以最小速度所通过的口径即为极限通径12，该极限通径12在最小燃烧量时混合气体流经速度大于该混合气体的火焰传播速度，所以在该极限通径12处不会发生回火燃烧。需要说明的是本实施方式中混合气体的所述最小速度是以保证燃气流量为前提的实验速度，在具体应用中可以根据不同需要而确定。

本全预混燃烧换热装置还改进燃烧器2结构，以解决现有的燃烧器2脱火问题，燃烧器2设置有燃烧筒21并在每个燃烧筒21内设置挡板22，在挡板22上设置若干特定方向的通孔23(优选朝着燃烧筒21筒壁方向或略倾斜)，混合气体在流经该通孔23燃烧时，一方面受到燃烧筒21包覆作用的而不会外散，另一方面由于气体流动时的粘滞性，当气流高速通过挡板22上的通孔23时会粘带附近气体，从而使未开设通孔23的挡板22下游区域形成负压区，因而混合气流在压差作用下在挡板22下游形成稳定的回流区，由于回流的是高温燃烧产物，因而可在燃烧筒21内挡板22下游形成一个稳定的连续的点火源，以保障混合气体在流经通孔23后稳定地燃烧，避免脱火发生，使燃烧安全可靠。燃烧筒21周圈封闭式的筒壁还起着隔绝外部环境的作用，使燃烧筒21内燃烧时的气场压差趋于稳定，实验证明混合气流通过挡板22后只有在燃烧筒21的筒壁的保护下才会在筒内产生稳定的回流区。

预混腔11并联连接有多个燃烧筒21，每个燃烧筒21各自通过极限通径12与预混腔11连通，每个燃烧筒21内设置有带通孔23的挡板22。这样设置多个燃烧筒21共同工作可降低每个燃烧筒热负荷并提高整体燃烧器2的热强度和热功率，使燃料利用率高、燃烧速度快，温度高、火焰短，从而使换热腔的体积大大缩小，有利于整个装置的体积小型化。

挡板22与极限通径12相对设置，挡板22上的通孔23均匀地排列在相对于挡板22中心的周圈位置。这种优选设置可使燃烧更加稳定不易脱火，由于通孔23靠近燃烧筒21的筒壁，气流穿过通孔23时筒壁附近没有可粘带气体，所以只有在中心圈粘带，如此集聚后会在中心圈底部形成强大公共负压区，所以形成更加稳固的集团式回流区。还可将该若干通孔23设置成朝向在周圈上相同倾斜的斜孔，有利于生成旋风火焰。

预混腔11包括依序连通的入口通道111、混合通道112和出口通道113，出口通道113与燃烧筒21密闭衔接，极限通径12设置于出口通道113内或延伸于燃烧筒21内，也可以把燃烧筒21在挡板22的上游前段部分直接作为极限通径12。这样有利于各环节各种形状结构的设计，方便于生产制造。

预混器1内还设置有与换热腔31连通的空气通道13，空气通道13设置于预混腔11腔壁与预混器1壳体之间，预混器1上还设置有用于调节空气通道13流量大小的调节滑块14。空气通道13用于燃烧器2使用不同燃气时的附加空气补给，起到二次助燃作用。安装时，优选鼓风装置17的出风口正对着预混腔11的入口通道111，并与入口通道111保持一段距离(该距离即为所述空气通道13入口)，优选调节滑块14与入口通道111相对设置，并在鼓风装置17的出风口处滑动，调节滑块14一端滑动衔接于鼓风装置17的出风口处，另一端滑动衔接于入口通道111，以对空气通道13入口的开闭或开度大小进行调节，从而实现对空气通道13流量大小调节。所述空气通道13设计是为了解决各种燃气所需要的空气比例不同的问题，例如液化石油气，它的燃烧化学方程式是一个燃料分子需要5个氧气分子(而天然气只需要2个氧分子)，所以需要空气量大(是天然气的2.5倍)，如果要完全混合燃烧，在混合通道112内同样的燃气量就需要有更多足够空气，那么内部压力会大幅度增加，这样使燃烧筒21内的气体流速非常大，仍易导致脱火，解决办法可以是增大燃烧筒21的口径，但装置一旦完成不可能更换燃烧器部件，所以本实施方式采用在预混器1内设置由调节滑块14控制空气流量的空气通道13，通过该空气通道13在燃烧筒21外围增加空气补给，可以降低混合气体流经燃烧筒21时的流速，避免脱火，同时又能保证混合气体的充分燃烧。本实施方式中混合腔11压力容量和燃烧筒21最大允许流速若按照采用天然气设计，那么燃烧天然气时调节滑块14可以调节为关闭空气通道13状态。

本实施方式中进一步地在预混腔内11设置了燃气与空气的混合装置，具体是在入口通道111或混合通道112内设置有旋转搅拌装置；还可以在混合通道112内设置有单管螺旋状或多管歧连状的混合管15，其原理是让混合气体在行进中尽可能地改变方向，以达到充分混合的目的；单管螺旋状是指一根通管实现螺旋样扭曲状态，多管岐连状是指多根通管进行相互旁连，每次旁连后流通方向改变；本实施例中优选采用单管螺旋状或多管岐连状的混合管15的混合装置，这样优选目的是混合管15为固定式，无需附加能量，且寿命长，混合均匀，安全可靠。

在某些应用中本实施方式还可以采用另一种方案优化设置，把出口通道113的末端即作为燃烧筒21使用，所述挡板22设置于出口通道113内，将燃烧器2与预混器1设置成一体结构。

参见图2和图3，燃烧器2外围还设置有若干水冷通道35，水冷通道35之间的空隙或通道构成所述空气通道13的下段。水冷通道35用于降低燃烧器2温度，延长燃烧器2使用寿命，还有利于降低混合气体燃烧时火焰传播速度，另外水冷通道35通过换热还可以使燃烧器2余热得到有效利用。本实施方式中燃烧器2内在挡板22上游不发生燃烧，这样经水冷通道35冷却后使燃烧筒21在挡板22的上游前段部分的温度很低，从而使极限通径12和预混器1的温度很低，故极限通径12和预混器1可采用塑料材质制成，以降低制作成本。需要说明的是，挡板22上的通孔23处的混合气体流速也可以根据通孔23的孔径和数量来控制，使混合气体流经通孔23时的速度大于该混合气体燃烧时的火焰传播速度，以避免挡板22处发生回火。经实验表明，由于全预混气体受各种因素影响，采用极限通径12和通孔23对混合气体的流速进行双重限定，可起到双保险作用，以确保预混腔11内不发生回火现象。

进一步的，换热器3与燃烧器2为一体设置(参见图3)；换热腔31的周壁为冷却护壁，该冷却护壁包括导热薄板34和贴覆于导热薄板34上的若干冷却水管33；换热腔31内还装设有若干换热通管32；所述换热通管32和冷却水管33与水冷通道35相互一体连通。具体连通方式是换热通管32和冷却水管33通过设置隔断36使其依序从下到上连通，最底部的换热通管32和冷却水管33与进水口37连通，最上部的换热通管32和冷却水管33与水冷通道35连通，处于最高的水冷通道35与出水口38连通。一体化设置可以省略外部接连接管和两者壳体之间连接的密封结构。由于本装置为全预混燃烧结构，故燃烧时火焰短而且硬，所以本实施方式采用倒置向下燃烧，水流依次从下向上逐级流动，从而使换热器3对高温烟气进行逐级换热，底部温度较低换热通管32对高温烟气中的水蒸气具有良好的冷凝效果，因而进一步利用了水蒸气的潜热能；冷凝式热水器能够把水蒸气冷凝成水，潜热进一步释放，可以大大节能。而且倒置式的设计可以使冷凝水收集管41方便地设置于本装置的最低处(本实施例优选设置于换热腔31与排放口4之间的最低处)，有利于冷凝水收集，且方便于制造和安装；高温烟气经过换热通管2的冷凝作用后，在换热腔31末端和排放口4处温度很低，故排放口4和冷凝水收集管41均可以采用塑料材质制成，节约制作成本。

以上所述实施例并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，在本发明的精神和原则之内对其中部分技术特征进行等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全预混燃烧换热装置，包括相互连通的预混器(1)、燃烧器(2)、换热器(3)和排放口(4)；其特征在于：预混器(1)设置有预混腔(11)，预混腔(11)与燃烧器(2)之间通过极限通径(12)连通，预混腔(11)内混合气体流经该极限通径(12)的速度大于该混合气体燃烧时的火焰传播速度；燃烧器(2)包括燃烧筒(21)和设置于该燃烧筒(21)内的挡板(22)，燃烧筒(21)的一端与预混腔(11)通过极限通径(12)连通，另一端与换热器(3)连通，挡板(22)上设置有若干通孔(23)，混合气体流经该通孔(23)燃烧时在挡板(22)下游形成用于点火源的回流区；换热器(3)设置有换热腔(31)，换热腔(31)的一端与燃烧筒(21)连通，另一端与排放口(4)连通。

2.根据权利要求1所述的全预混燃烧换热装置，其特征在于：预混腔(11)并联连接有多个燃烧筒(21)，每个燃烧筒(21)各自通过极限通径(12)与预混腔(11)连通，每个燃烧筒(21)内设置有带通孔(23)的挡板(22)。

3.根据权利要求1或2所述的全预混燃烧换热装置，其特征在于：挡板(22)与极限通径(12)相对设置，挡板(22)上的通孔(23)均匀地排列在相对于挡板(22)中心的周圈位置。

4.根据权利要求1或2所述的全预混燃烧换热装置，其特征在于：预混器(1)内还设置有与换热腔(31)连通的空气通道(13)，预混器(1)上还设置有用于调节空气通道(13)流量大小的调节滑块(14)。

5.根据权利要求1或2所述的全预混燃烧换热装置，其特征在于：预混腔(11)包括依序连通的入口通道(111)、混合通道(112)和出口通道(113)，出口通道(113)与燃烧筒(21)密闭衔接，极限通径(12)设置于出口通道(113)内或延伸于燃烧筒(21)内。

6.根据权利要求5所述的全预混燃烧换热装置，其特征在于：入口通道(111)或混合通道(112)内设置有旋转搅拌装置。

7.根据权利要求5所述的全预混燃烧换热装置，其特征在于：混合通道(112)内设置有单管螺旋状或多管歧连状的混合管(15)。

8.根据权利要求5所述的全预混燃烧换热装置，其特征在于：出口通道(113)末端即为所述燃烧筒(21)，所述挡板(22)设置于出口通道(113)内。

9.根据权利要求1或2所述的全预混燃烧换热装置，其特征在于：燃烧器(2)还设置有水冷通道(35)，每个燃烧筒(21)外周各自被水冷通道(35)包围。

10.根据权利要求9所述的全预混燃烧换热装置，其特征在于：换热器(3)与燃烧器(2)为一体设置；换热腔(31)的周壁为冷却护壁，该冷却护壁包括导热薄板(34)和贴覆于导热薄板(34)上的若干冷却水管(33)；换热腔(31)内还装设有若干换热通管(32)；所述换热通管(32)和冷却水管(33)与水冷通道(35)相互一体连通。