CN106662323B - 具有文丘里管阻尼器的可调节燃烧器 - Google Patents

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Abstract

一种可调节燃烧器装置（10）包括燃烧器（42）和布置在所述燃烧器的上游的鼓风机（52）。文丘里管（56）布置在所述鼓风机的上游。阻尼阀（58）布置在所述文丘里管的上游。所述阻尼阀具有打开位置和受限位置。较小气体阀（60）和较大气体阀（62）与所述文丘里管连通。控制器以可操作方式与所述系统相关联以选择所述阻尼阀的位置并选择所述气体阀中的适当一个，从而提供低输出操作模式和高输出操作模式，其组合提供为至少25:1的总体调节比。

Description

具有文丘里管阻尼器的可调节燃烧器
技术领域
本发明总体地涉及一种可调节燃烧器装置，并且更具体地（但并不作为限制）涉及一种并入可调节燃烧器的燃气器具。
背景技术
大部分常规燃气燃烧器技术利用被设计成以燃烧空气和燃料气体到燃烧器的固定流速操作的单室燃烧器。该技术需要：燃烧器响应于确定何时已满足能量需求的控制系统来循环关闭，并且当存在更多能量需求时在预定设置点处循环重新打开。目前由本发明的受让人销售的该典型现有技术系统的一个实例是授予Vallett等人的美国专利第4,723,513号和第4,793,800号中所示的实例，该专利的细节以引用方式并入本文中。
本发明的受让人还已开发出用于具有可变空气和燃料输入的水加热器具的连续可变调节的燃烧器装置，如授予Baese等人的美国专利第6,694,926号中所示。在Baese装置中，燃烧空气和燃料分别以受控量引入鼓风机的上游并且然后预混合并以规定鼓风机流速范围内的受控鼓风机流速递送到单室燃烧器。这允许水加热器具的热输入在具有高达4:1的燃烧器调节比的大流动范围内连续变化。本领域的技术人员应理解，4:1燃烧器调节能力将导致该器具比具有小于4:1燃烧器调节比的器具或根本不具有调节比的器具在典型季节性需求期间保持操作达更长时间段。
最近，本发明的受让人已开发出一种包括双室燃烧器的水加热器具，其中双鼓风机组件将燃料和空气混合物提供到燃烧器的室，如在授予Smelcer的美国专利第8,286,594号中所示，该专利的细节以引用方式并入本文中。通过使用双鼓风机组件，该系统能够实现高达25:1或更大的调节比。本领域的技术人员应理解，25:1燃烧器调节能力将导致该器具比具有小于25:1燃烧器调节比的器具或根本不具有燃烧器调节比的器具在典型季节性需求期间保持操作达更长时间段。
持续需要可在较宽热需求范围内能够对热输入进行调节的可调节燃烧器的改进。特定地，需要如与当今已知实践相比以显著减少的成本以减小的机械复杂性提供高调节比的系统。
发明内容
在一个实施例中，一种燃烧器组件包括：燃烧器；以及鼓风机，其配置成将预混合的空气和燃料气体混合物供应到所述燃烧器。该鼓风机包括鼓风机入口。文丘里管包括文丘里管入口、文丘里管出口以及位于所述文丘里管入口和所述文丘里管出口中间的减压区。鼓风机入口与文丘里管出口连通，使得所述鼓风机抽吸空气通过所述文丘里管。至少一个气体阀与减压区连通，使得所述至少一个气体阀以对应于所述减压区中的压力的燃料气体流速将燃料气体供应到所述减压区。空气流限制器定位在所述减压区的上游并且可在打开位置与受限位置之间移动，以便在所述受限位置中通过所述文丘里管的空气流受限。
在另一实施例中，一种燃烧器组件包括：燃烧器；鼓风机，其位于所述燃烧器的上游；文丘里管，其位于所述鼓风机的上游；以及阻尼阀，其位于所述文丘里管的上游。阻尼阀具有打开位置和受限位置。较小气体阀和较大气体阀各自与所述文丘里管连通。控制器以可操作方式与所述鼓风机、所述阻尼阀以及所述较小和较大气体阀相关联。
在另一实施例中，提供一种操作预混合燃烧器的方法，该方法包括：
(a)在通过处于受限位置中的阻尼阀将空气抽吸到文丘里管的同时并且在通过较小气体阀将燃料气体抽吸到所述文丘里管的同时，通过调节可变速鼓风机的速度而在低输出范围内调节所述燃烧器；以及
(b)在通过处于打开位置中的所述阻尼阀将空气抽吸到所述文丘里管的同时并且在通过较大气体阀将燃料气体抽吸到所述文丘里管的同时，通过调节所述可变速鼓风机的速度而在高输出范围内调节所述燃烧器。
在以上实施例中的任一项中，空气流限制器可以是包括盘形阀元件的阻尼器。当所述空气流限制器处于所述受限位置中时，所述限制器在所述盘形阀元件周围限定环形流路径。
在以上实施例中的任一项中，该环形流路径可具有在从约0.010英寸到约0.150英寸的范围内、并且更优选地在从约0.050英寸到约0.120英寸的范围内的环形厚度。
在以上实施例中的任一项中，该至少一个气体阀可包括较大气体阀和较小气体阀，两个气体阀都与所述文丘里管的所述减压区连通。
在以上实施例中的任一项中，较小气体阀可包括在所述空气流限制器的上游连通的参考压力线路。
在以上实施例中的任一项中，该组件可还包括控制器，其以可操作方式与所述流限制器、所述较大气体阀和所述较小气体阀相关联。当所述流限制器处于所述打开位置中时该控制器可配置成操作该较大气体阀，并且当所述流限制器处于所述受限位置中时该控制器可配置成操作该较小气体阀。
在以上实施例中的任一项中，鼓风机可以是可变速鼓风机，其具有可在鼓风机速度范围内变化的鼓风机速度，并且控制器可以以可操作方式与鼓风机相关联，并且配置成使得当较大气体阀可操作并且流限制器处于打开位置中时通过在所述鼓风机速度范围内变化所述鼓风机速度而可在较高燃烧器输出范围内调节所述燃烧器，并且该控制器可配置成使得当所述较小气体阀可操作并且所述流限制器处于所述受限位置中时通过在所述鼓风机速度范围内变化所述鼓风机速度而可在较低燃烧器输出范围内调节所述燃烧器。
在以上实施例中的任一项中，所述较高燃烧器输出范围可重叠所述较低燃烧器输出范围，优选地重叠至少50,000 BTU/hr。
在以上实施例中的任一项中，所述燃烧器组件可具有为至少约25:1的从所述较高燃烧器输出范围的高端到所述较低燃烧器输出范围的低端的调节比。
在以上实施例中的任一项中，燃烧器较高输出范围可具有为至少750,000 BTU/hr的高端。
在以上实施例中的任一项中，文丘里管可包括文丘里管本体，其具有从文丘里管入口到文丘里管出口的文丘里管通道，并且流限制器可定位于文丘里管通道内。
在以上实施例中的任一项中，文丘里管可包括直径减小的喉部，并且减压区可以是围绕所述直径减小的喉部并与所述直径减小的喉部连通的环形区。
在以上实施例中的任一项中，该燃烧器组件可结合水加热器使用，其中所述水加热器与所述燃烧器处于热交换关系。
以上实施例中的任一项可还包括引燃器，其相邻所述燃烧器定位以使来自所述引燃器的引燃火焰可对所述燃烧器进行点火。引燃器阀使气体源与引燃器连通。控制器配置成在所述较小气体阀的操作与所述较大气体阀的操作之间转换之前打开所述引燃器阀从而引发所述引燃火焰。
在以上实施例中的任一项中，控制器可配置成在所述较小气体阀的操作与所述较大气体阀的操作之间转换之后关闭所述引燃器阀。
在以上实施例中的任一项中，控制器可限定所述燃烧器组件的低范围操作模式和所述燃烧器组件的高范围操作模式。
在以上实施例中的任一项中，在所述低范围操作模式中，所述阻尼阀处于所述受限位置中，并且所述较小气体阀以可操作方式与所述文丘里管连通，并且所述鼓风机被调节成在低输出范围内将燃料和空气混合物提供到所述燃烧器。
在以上实施例中的任一项中，在高范围操作模式中，阻尼阀处于打开位置中，所述较大气体阀以可操作方式与所述文丘里管连通，并且所述鼓风机被调节成在高输出范围内将燃料和空气混合物提供到所述燃烧器，所述高输出范围比所述低输出范围扩展得更高并与所述低输出范围重叠。
在以上实施例中的任一项中，该盘形阀可具有在从约3.0英寸到约6.0英寸的范围内的直径。
在以上实施例中的任一项中，该阻尼阀可包括阻尼阀本体，其具有通过其中的圆形横截面通道并具有通道直径。阀轴沿着直径方向延伸穿过通道。阀盘附接到阀轴并具有小于通道直径的直径。阀马达附接到阀轴并被构造成在所述打开位置与所述受限位置之间使所述阀轴旋转大约90O。
在以上实施例中的任一项中，该阀马达当其在其打开位置与受限位置之间移动所述阻尼阀时可始终在相同方向上旋转。
在以上实施例中的任一项中，阻尼阀可包括弹簧，其安置在所述阀轴周围并相对于所述阻尼阀本体偏压所述阀轴从而消除所述阀盘在所述圆形横截面通道内的直径定位中的松弛。
在以上实施例中的任一项中，当所述阻尼阀处于其受限位置中时，空气通过相邻所述文丘里管的内壁的所述阻尼阀的环形通道流动到所述文丘里管，以使空气主要在相邻该内壁的边界层中流动。
在结合附图阅读以下公开内容时，本发明的其它和进一步目标、特征和优点对本领域的技术人员将容易显而易见。
附图说明
图1是可调节燃烧器组件的示意图，其具有由单个可变速鼓风机供给的燃烧器，其中文丘里管和阻尼器组件在鼓风机的上游。该燃烧器组件示出为用于水加热器具中。
图2是图1的燃烧器组件的示意图。
图3是用于图2的燃烧器组件中的电动阻尼器的透视图。
图4是图3的电动阻尼器的侧面正视图。
图5是图3的电动阻尼器沿着图4的线5-5截取的横截面正视图。
图6是图5的上部虚线圆圈区域内的区域的放大图。
图7是图5的下部虚线圆圈区域内的区域的放大图。
图8是装配有文丘里管的图3的电动阻尼器的横截面正视图。
图9是示出当燃烧器组件启动并循环通过增加和减少的负载循环时图2的燃烧器组件的各种组件的操作位置的图表时序图。
图10是用于图1的水加热系统的电子控制系统的示意性表示。
图11是文丘里管和阻尼器组件的替代实施例的示意性横截面图，其具有整合的文丘里管/阻尼器本体。
图12是燃烧器的示意性横截面图，其具有定位于燃烧器的内部并与限定于燃烧器的侧壁中的引燃器端口连通的引燃器供应线路。
具体实施方式
现参考附图，并且尤其参考图1，燃烧器组件由编号10示出并通常由编号10表示。燃烧器组件10示出为用于作为用于加热水的系统13的一部分的水加热装置或器具11中，但将理解，在其最广泛应用中，燃烧器组件10可用于其中期望提供具有高调节比的可调节燃烧器的任何系统中。例如，燃烧器组件10可针对工业炉或类似物用作燃烧器。
如本文中所使用的，术语水加热装置或水加热器具或水加热系统或水加热器装置或水加热器全部可互换使用并且全部指代用于加热水的装置，包括锅炉和水加热器两者，如通常在工业中所使用的那些术语。该装置用于多种多样的商业和住宅应用中，包括饮用水系统、空间加热系统、水池加热器、工艺水加热器和类似物。而且，所加热的水可包括各种添加剂，诸如防冻剂或类似物。
图1中示出的水加热装置11是火管加热器。火管加热器是其中来自燃烧器的热燃烧气体流过多个管的内部的一种加热器。待加热的水在管的外部周围流动。然而，燃烧器组件10的操作原理同样适用于使用使水流过管的内部并使热燃烧气体在管的外部上的水加热器中，诸如例如上文论述的授予Baese等人的美国专利第6,694,926号中所示的设计。
图1的系统13中所示的水加热装置11以有时被称为全流式加热的方式连接至热需求负载，其中加热装置11的水入口12和水出口14直接连接至流动环路16，流动环路16将加热的水携载到多个负载18A, 18B, 18C和18D。负载18A-18D可（例如）表示包含在建筑物的不同区域中的散热器的各种加热负载。到建筑物的给定区域的热可通过控制区域阀20A-20D来打开或关闭。因此，当打开并关闭散热器时或当在建筑物的各种区中调整所期望热时，通过区域阀20准许到该区的水流将变化，因此提供通过流动环路16的变化水流和水加热装置11及其燃烧器组件10上的变化热负载。流动环路16中的供应泵22使水在系统13中循环。然而，水加热装置11及其燃烧器组件10的操作原理也适用于连接至其它类型的供水系统的加热装置，诸如例如将主要流动环路用于热负载的系统，其中该水加热装置处于第二流动环路中，以使并非所有在该系统中循环的水都通过水加热器必然流回。在Paine等人的题目为“Control System for Modulating Water Heater”并转让给本发明的受让人的美国专利第7,506,617号中可见这样的主要和第二流动环路系统的实例，该专利的细节以引用方式并入本文中。
水加热装置11包括外部护套24。水入口12和水出口14通过护套24与热交换器的水室26或水侧26连通。在上部或主要热交换器部分28中，内部热交换壁或内部护套30具有限定在其中的燃烧室或燃烧区32。燃烧室32的下端由上部管板34封闭。多个火管36使其上端连接至上部管板34并使其下端连接至下部管板38。火管延伸穿过水加热装置11的第二热交换器部分40。
燃烧器42定位于燃烧室32内。燃烧器42使预混合的燃料和空气在燃烧室32内燃烧。来自燃烧室32的热气体向下流过火管36、流到排气收集器44并流出排气烟道46。
来自流动环路16的待加热的水流入水入口12，然后在火管36的外部周围流动并向上流过水侧26的第二热交换器部分48，并继续向上流过水侧26的主要热交换器部分50，并然后通过水出口14流出。将理解，水加热装置11的内部包括各种挡板以便以水在所有火管36周围大致均匀流动并在外部护套24与内部护套30之间流过主要热交换器28的水室50的方式指引水流。当水在第二热交换器40的火管36周围向上流动时，水由从火管36内侧的热燃烧气体通过火管36的壁进入到在火管36周围流动的水中的热传递加热。当加热的水继续向上流过主要热交换器28的水侧50时，额外热从燃烧室32通过内部护套30传递到水侧50中所含的水中。
图10示意性示出可包括于水加热装置11中的控制系统。该控制系统包括控制器200。控制器200从传感器202-214接收各种输入。传感器202可以是与引燃器124相关联的引燃火焰传感器。传感器204可以是与燃烧器42相关联的主燃烧器火焰传感器。传感器206可以是鼓风机速度传感器。传感器208可以是入口水温度传感器。传感器210可以是出口水温度传感器。传感器212可以是室温传感器。输入214可以是（例如来自室温恒温器，或用于与水加热器11相关联的供水储存箱的恒温器的）设置点输入。
控制器200还向各种部件提供输出信号，例如经由线路216向鼓风机52提供鼓风机速度控制信号，经由线路218向阻尼器58的阀马达102提供阻尼器马达控制信号，经由线路220向大型气体阀62提供控制信号，经由线路222向小型气体阀60提供控制信号，经由线路224向引燃器阀128提供控制信号，并经由线路226向相邻燃烧器42的直接火花点火元件228提供点火信号。
燃烧器组件
如图2中示意性地示出，燃烧器组件10包括燃烧器42和配置成将预混合的空气和燃料气体混合物供应到燃烧器42的鼓风机52。鼓风机52包括鼓风机入口54。
燃烧器组件10还包括位于鼓风机52的上游的文丘里管56，和位于文丘里管56的上游的阻尼阀或空气流限制器58。
燃烧器组件10还包括较小气体阀60和较大气体阀62，其每个经由气体供应路线64与文丘里管56的入口65连通。
文丘里管56包括文丘里管入口66、文丘里管出口68以及位于入口和出口中间的减压区70。在图8的放大横截面视图中最佳可见文丘里管56的细节。
鼓风机入口54与文丘里管出口68连通以使鼓风机52抽吸空气通过文丘里管56。
空气经由空气入口线路74从空气源72提供到阻尼阀58的入口。燃料气体经由气体入口线路78从气体源76提供到气体阀60和62。截流阀80安置于气体入口线路78中。截流阀80可以是手动球阀。
气体阀60和62各自与文丘里管56的减压区70连通以使其以对应于减压区70中的压力的燃料气体流速将燃料气体供应到减压区70。
气体控制阀60和62优选地为零点调节器或负调整型气体阀，以便以与由鼓风机52的速度导致的文丘里管内的负空气压力成比例的可变气体速率将燃料气体提供到文丘里管56，因此变化进入文丘里管56的流速，以便在鼓风机52在其内操作的流速范围内维持预定的空气燃料比。气体控制阀60和62中每个可以是包括整合截流阀的双座式零点调节器气体控制阀。
本领域的技术人员将理解，气体阀（诸如气体阀60和62）结合文丘里管56的低压区70处的压力响应于所感测参考压力操作。通常，该气体阀感测相邻文丘里管的入口的参考压力，其诸如在图2中由将较大气体阀62连接到文丘里管56的虚线压力参考线路138示意性地表示。然而，在本布置中，已发现较小气体阀60从位于阻尼阀58的上游的点获取其参考压力为优选的，如由将较小气体阀60连接到阻尼阀58的虚线压力参考线路140所表示那样。
文丘里管56可更通常描述为位于鼓风机52的上游的混合室56，混合室56配置成在燃料和空气混合物进入鼓风机52的入口54之前至少部分地预混合该燃料和空气混合物。文丘里管56可例如根据在授予Beran的美国专利第5,971,026号中所述的原理构造，该专利的细节以引用方式并入本文中。该文丘里管装置可从霍尼韦尔公司商业获得。
在图8中最佳可见文丘里管56的构造的细节。可见，减压区70相邻文丘里管的喉部的最狭窄部分形成，并且减压区70通过环形开口84与外部环形区域82连通。
来自气体阀60和62的气体供应通过气体供应路线64流到与环形区82连通的入口65。
因此，如图8中所见，当空气从左到右流过文丘里管56时，形成低压区70，其与环82连通并且其与环82内存在的负压成比例地抽吸燃料气体通过气体阀60和62中的起作用的一个。
在仅利用具有文丘里管（例如文丘里管56）的单个气体阀的典型现有技术系统中，该文丘里管的操作范围与文丘里管喉部的直径有关并与抽吸或推送通过文丘里管的流体体积成比例。此操作范围在其性能的下端上受限，因为流体体积和速度不足以形成在环82中产生所需负压信号以从气体阀抽吸气体的流场。气动压力信号的该缺乏在气体从气体阀通过文丘里管到燃烧器的流动中导致不稳定性，这继而在燃烧过程中产生不稳定性。
本发明试图通过在文丘里管的上游添加阻尼器58并通过如所示提供第一和第二较小和较大气体阀60和62来消除那些不稳定性。
如下文进一步所述，阻尼器58（其可更通常称为空气流限制器58）可在打开位置与受限位置之间移动，以便在所述受限位置中，通过阻尼器58和文丘里管56的空气流受限。
如图3-8中更好地示出，阻尼阀58包括阀本体86，其具有穿过其中的圆形横截面通道88。通道88具有纵向轴线90。阀轴92沿着直径方向延伸通过通道88。盘形阀元件94附接到该轴，并且在图8中，用实线示出处于其关闭或受限位置中，并用虚线示出处于其打开位置中。阀盘94具有小于圆形通道88的内径98的直径96。在一些实施例中，盘形阀元件94的直径96可具有在从约3.0英寸到约6.0英寸的范围内的直径。
因此，当阀盘94处于在图8中用实线示出的其关闭位置中时（其中其大致同中心地接纳于圆形横截面通道88内），环形间隔100在阀盘94与通道88的内壁之间存在于阀盘94的周边周围。如以下实例中进一步所述，该环形间隔可在从约0.010英寸到约0.150英寸的范围内，并且更优选地在从约0.050英寸到约0.120英寸的范围内。图5-7中最佳可见环形空隙100。
阻尼阀58的操作经由阀马达102完成，阀马达102附接到阀轴92并被构造成在图8中用虚线示出的打开位置与图8中用实线示出的受限或关闭位置之间使阀轴旋转92大约90O。
阀马达102可例如是可购自Field Controls公司的型号GVD-4。该马达经编程以使在从控制器200接收到信号以从其打开位置移动到其受限位置或从其受限位置移动到其打开位置时，马达102使阀杆92旋转通过90O的角度。阻尼阀58和阀马达102被构造成使得当阻尼阀58在其打开位置与关闭位置之间反复移动时，马达102在一个旋转方向上不断转动阀杆92。阀马达102可以是使用机械开关来以例如大约5 rpm的速度转动四分之一转的同步马达。
如图6中最佳可见，阀马达102的驱动轴104通过销106连接至阀轴92。
优选地，盘形阀元件94尽可能同中心地保持在圆形通道88内，以使当圆盘94处于其关闭位置中时其间的环形空隙100将在圆盘94周围尽可能均匀。这可通过将圆盘94安装在阀本体86内的构造来部分完成，如图6和图7的详细视图中所见。阀轴92的下端具有布置在其周围并通过接纳在轴92的凹槽中的保持环110保持在适当位置的垫圈108。垫圈108接合限定在阀本体86上的面向下的承载表面112。
如图6中所见，在阀轴92的上端处，线圈压缩弹簧114安置在阀轴92周围，并且其上端通过接纳在阀轴92中的另一凹槽中的第二保持环118接合相对于阀轴92保持在适当位置中的第二垫圈116。弹簧114的下端抵靠接合阀本体86的上表面122的又一垫圈120，以使弹簧114相对于阀本体86偏压阀轴92和所附接阀盘94，从而消除阀盘94在阀本体86的圆形横截面通道88内的直径定位中的松弛。
现参考图12，燃烧器组件10可包括引燃器124，其相邻燃烧器42定位以使来自该引燃器的引燃火焰126可对燃烧器42进行点火。提供该引燃器以便避免否则当在小型气体阀60的操作与大型气体阀62的操作之间转换或相反时将遇到的问题。那些问题通常涉及燃烧器火焰的损失和加热器排气中的高一氧化碳水平。
如图2中所示，引燃器阀128连接至气体入口线路78并经由引燃器气体线路130使气体源76与引燃器124连通。如下文进一步所述，控制器200配置成在较小气体阀60的操作与较大气体阀62的操作之间转换之前打开引燃器阀128从而引发引燃器124的引燃火焰126。引燃器阀128可以是电磁阀和调节器组合阀。
如图12中示意性地示出，燃烧器42可包括刚性内部燃烧器罐132，其由穿孔金属或类似物制成、由金属或陶瓷纤维外部层134围绕。引燃器124优选地限定为穿过内部罐132的侧壁的圆形开口，并且引燃器气体线路130通过由任何合适方式（例如焊接、铆接或类似方式）附接到内部罐132的配件136连接至引燃器开口124。
引燃器124（其可被称为整合的引燃器燃烧器端口124）在燃烧器42的表面上建立引燃火焰126。另外，通过使引燃器气体供应路线130位于主燃烧器罐的内部（其中引燃器端口124延伸穿过主燃烧器罐的侧壁），引燃器结构未暴露至燃烧器罐的外部的主火焰的温度。这消除针对引燃器组件使用特殊高温组件的需要。
任选地，与燃烧器42分离的单独引燃器组件可安装成紧密相邻于燃烧器42的外部。
不使用引燃器124的其它可选方法包括重复使用火花点火器228以及每当系统在高输出范围与低输出范围中的操作之间转换时重复预吹扫循环，或使用始终可操作以对来自小型气体阀60或大型气体阀62的气体进行点火的热表面点火器。
图11的替代性文丘里管和阻尼器结构
现参考图11，示出图8中所示的文丘里管56和阻尼阀58的替代性构造。在图11的实施例中，示出文丘里管56’和阻尼阀58’，其使用共用整合的文丘里管/阻尼器本体86’。在其它方面，图11的实施例中示出的各种部件的操作方式和功能类似于上文针对图1-8所述的实施例的各种部件的操作方式和功能。
操作方法
以下步骤表示加热器装置11的燃烧器组件10的典型操作顺序，从启动开始，然后在从最低输出扩展到最高输出的加热器输出范围内操作，然后使加热器输出减少回到最低输出并关闭加热器。以下20个步骤总结该程序，并且下文进一步描述每一步骤：
操作顺序
1. 吹扫（鼓风机RPM最大设置）
2. 关闭开闭器（将RPM调整到点火值）
3. 打开火花点火器
4. 打开第1级气体阀
5. 检验主燃烧器火焰
6. 关闭火花点火器
7. 在第1级中操作（按照调节速率调整RPM）
8. 打开转换电磁阀（将RPM调整为转换设置）
9. 关闭第1级气体阀 & 检验转换火焰
10. 打开开闭器
11. 打开第2级气体阀
12. 关闭转换电磁阀& 检验主燃烧器火焰
13. 在第2级中操作，直到全火&转换回来（按照调节速率调整RPM）
14. 打开转换电磁阀（将RPM调整为转换设置）
15. 关闭第2级气体阀 & 检验转换火焰
16. 关闭开闭器
17. 打开第1级气体阀
18. 关闭转换电磁阀 & 检验主燃烧器火焰
19. 在第1级中操作，下到低火，然后关闭（按照调节速率调整RPM）
20. 后吹扫。
在步骤1中，通过以吹扫该系统的最大鼓风机速度操作鼓风机52来吹扫该系统。
在步骤2中，关闭阻尼阀58并针对点火将鼓风机52的旋转速度减小到相对低速度。
在步骤3中，控制器200向点火器228发送点火信号。
在步骤4中，控制器200向小型气体阀60发送控制信号以打开小型气体阀60，这应导致主燃烧器42的点火。
在步骤5中，经由从主火焰传感器204到控制器200的输入信号检验主燃烧器火焰的存在。
在步骤6中，经由来自控制器200的信号关闭火花点火器228。
在步骤7中，在阻尼阀58处于其关闭或受限位置中的情况下抽吸空气通过文丘里管56和阻尼阀58的同时，燃烧器组件10通过调节可变速鼓风机52的速度而在可被称为第1级的级中或在低输出范围中操作。该操作在燃烧器组件10的低输出范围内继续，直到鼓风机52达到其最大鼓风机速度。
然后，在步骤8中，为从低输出范围转换到与阻尼器58的打开位置并与较大气体阀62的操作相关联的高输出范围，控制器200打开引燃器阀128从而点燃引燃火焰126，并将鼓风机52的鼓风机速度减小到转换设置。
然后，在步骤9中，响应于来自控制器200的信号关闭较小气体阀60，并经由从引燃火焰传感器202到控制器200的信号检验转换或引燃火焰126的存在。
然后，在步骤10中，阻尼器58移动到其打开位置。
在步骤11中，响应于来自控制器200的控制信号打开大型气体阀62。
在步骤12中，关闭引燃器阀128并经由从主燃烧器火焰传感器204到控制器200的输入信号检验主燃烧器火焰。
步骤13表示燃烧器装置10在可称为第2级的级中或高输出范围中的操作，其中阻尼阀58打开并且大型气体供应阀62可操作。燃烧器装置10通过使鼓风机52的鼓风机速度增加到其最大输出而在该高输出范围内操作，这可称为燃烧器装置10的全火操作。然后为减少燃烧器装置10的输出，使鼓风机52的速度在高输出范围内再次减小回来。
在步骤14中，准备从高输出范围转换回到低输出范围，再次打开引燃器阀128。
在步骤15中，关闭大型气体阀62并经由引燃火焰传感器202再次检验转换或引燃火焰126的存在。
然后在步骤16中，响应于来自控制器200的控制信号使阻尼器58移动到其关闭或受限位置。
在步骤17中，控制器200再次打开小型气体阀60。
在步骤18中，再次关闭引燃器阀128并经由从主燃烧器火焰传感器204到控制器200的信号再次检验处于低操作范围中的主燃烧器火焰。
步骤19表示燃烧器装置10再次在第1级或低输出范围中直到期望关闭燃烧器装置10的操作。
步骤20表示后吹扫操作，其中利用鼓风机52来在气体供应阀60和62两者以及引燃器阀128全部关闭的情况下清扫系统。
图9是表示在由上述步骤1-20表示的操作顺序内各种所指示部件的位置的示意性时序图。
一般来说，操作燃烧器装置10的方法可描述为一种操作预混合燃烧器的方法，该方法包括：
(a)在阻尼阀58处于其受限位置中时通过阻尼阀58将空气抽吸到文丘里管56的同时并且在通过较小气体阀60将燃料气体抽吸到文丘里管56的同时，通过调节可变速鼓风机52的速度而在低输出范围内调节燃烧器42；以及
(b)在阻尼阀处于其打开位置中的情况下通过阻尼阀58将空气抽吸到文丘里管56的同时并且在通过较大气体阀62将燃料气体抽吸到文丘里管56的同时，通过调节可变速鼓风机52的速度而在高输出范围内调节燃烧器42。
在步骤(a)中，空气通过相邻于文丘里管56的内壁85的阻尼阀58的环形通道100流过文丘里管56，以使空气主要在相邻内壁85的边界层中流动。本领域的技术人员将理解，文丘里管56以使低压区82中的压力依赖于在环形开口84处所见的压力（其当然是表面85的边界层处的压力，因为该边界层通过环形开口84）的方式操作。因此，阻尼器58被设计成影响相邻环形开口84的边界层中的压力。
该操作方法可还描述为包括如下步骤：通过调节鼓风机52的鼓风机速度、启动较大气体阀62、停用较小气体阀60并打开阻尼阀58而采用自动控制器200控制从低输出范围到高输出范围的转换。
该操作方法可进一步描述为包括如下步骤：在从低输出范围转换到高输出范围之前打开引燃器阀128以点燃相邻燃烧器42的引燃器124。
该操作方法可描述为还包括如下步骤：通过调节鼓风机52的鼓风机速度、启动较小气体阀60、停用较大气体阀62并使阻尼阀58移动到其受限位置而采用自动控制器200控制从高输出范围到低输出范围的转换。
该操作方法可进一步描述为包括如下步骤：在从高输出范围转换到低输出范围之前打开引燃器阀128以点燃相邻燃烧器42的引燃器124。
鼓风机52可描述为具有可在鼓风机速度范围内变化的鼓风机速度的可变速鼓风机52。例如，鼓风机52的鼓风机速度可从1200 rpm的低速调节为5,000 rpm的高速。控制器200以可操作方式与鼓风机52相关联并且配置成，使得当较大气体阀62可操作并且阻尼阀58处于打开位置中时通过在鼓风机速度范围内变化鼓风机速度而可在较高燃烧器输出范围内调节燃烧器42，并且使得当较小气体阀60可操作并且流限制器或阻尼阀58处于受限位置中时通过在鼓风机速度范围内变化鼓风机速度而可在较低燃烧器输出范围内调节燃烧器42。
优选地，较高燃烧器输出范围在其下端处与较低燃烧器输出范围的较高端重叠。该输出范围重叠优选地为至少50,000 BTU/hr。
在一个实施例中，高输出范围可具有为大约5:1的调节比，并且低输出范围可提供为大约5:1的进一步调节比，因此产生为至少25:1的从较高燃烧器输出范围的高端到较低燃烧器输出范围的低端的总体调节比。
燃烧器装置10可具有为至少750,000 BTU/hr的在较高输出范围的高端的燃烧器输出。在其它实施例中，较高燃烧器输出范围的高端可为至少2百万BTU/hr或更高。
控制器200可描述为限定燃烧器组件10的低范围操作模式和燃烧器组件10的高范围操作模式。在低范围操作模式中，控制器将阻尼阀58布置在受限位置中，较小气体阀60以可操作方式与文丘里管56连通，并调节鼓风机52以在低输出范围内将燃料和空气混合物提供到燃烧器。
在高范围操作模式中，控制器200将阻尼阀58布置在打开位置中，较大气体阀62以可操作方式与文丘里管56连通，并调节鼓风机52以在高输出范围内将燃料和空气混合物提供到燃烧器42。
示例性装置
在针对为750,000 BTU/hr的高输出范围的上端处的最大锅炉输出设计的阻尼阀58和文丘里管56的一个实例中，阀盘94可具有为3.810英寸的直径96，并且阀盘94可从低压区70轴向隔开6.189英寸的距离142，如图8中所指示的。间隙100可具有为0.083英寸的尺寸。文丘里管56可以是可购自霍尼韦尔公司的型号VMU300A文丘里管。
在针对为1,250,000 BTU/hr的高输出范围的上端处的最大锅炉输出设计的阻尼阀58和文丘里管56的另一实例中，阀盘94可具有为4.850英寸的直径96，并且阀盘94可与低压区70轴向隔开6.189英寸的距离142，如图8中所指示的。间隙100可具有为0.063英寸的尺寸。文丘里管56可以是可购自霍尼韦尔公司的型号VMU500A文丘里管。
在针对为2,000,000 BTU/hr的高输出范围的上端处的最大锅炉输出设计的阻尼阀58和文丘里管56的另一实例中，阀盘94可具有为4.750英寸的直径96，并且阀盘94可与低压区70轴向隔开5.787英寸的距离142，如图8中所指示的。间隙100可具有为0.113英寸的尺寸。文丘里管56可以是可购自霍尼韦尔公司的型号VMU680A文丘里管。
对环形空间100的空隙的选择和阀94与文丘里管56的喉部或低压区72之间的距离142对该装置的合适运作至关重要。在可用间隔内对距离142进行选择以确保在低压区70处形成稳定边界层型流动。距离142与直径96的典型比可例如为从1.0到2.0。
将理解，将选择鼓风机52和其它相关联部件的尺寸以使用在上述实例中所述的所选择阻尼阀48和文丘里管56补充燃烧器装置10对所选择燃烧器输出的需要。
而且，为在提供为至少25:1的调节比的同时确保燃料和空气混合物以低燃烧器输出范围的下端通过燃烧器42的适当流动速度，优选的是，为燃烧器42提供相对高的燃烧器负载。尽管典型现有技术的预混合燃烧器可具有在600,000至700,000 BTU/hr.ft2的范围内的燃烧器负载，但燃烧器42可设计有大于1,000,000 BTU/hr.ft2并且甚至更优选地多达1,200,000 BTU/hr.ft2的燃烧器负载设计。
因此可见，本发明的装置和方法容易实现所提及的目的和优点以及其中固有的那些目的和优点。虽然已出于本公开的目的示出并描述了本发明的某些优选实施例，但本领域技术人员可对零件的结构和构造以及步骤做出许多改变，这些改变通过如由以下权利要求书限定的本发明的范围和精神体现。

Claims (33)

1.一种燃烧器组件，其包括：
燃烧器；
鼓风机，其配置成将预混合的空气和燃料气体混合物供应到所述燃烧器，所述鼓风机包括鼓风机入口；
文丘里管，其包括文丘里管入口、文丘里管出口以及位于所述文丘里管入口和所述文丘里管出口中间的减压区，所述鼓风机入口与所述文丘里管出口连通使得所述鼓风机抽吸空气通过所述文丘里管；
至少一个气体阀，其与所述减压区连通使得所述至少一个气体阀以对应于所述减压区中的压力的燃料气体流速将燃料气体供应到所述减压区；以及
空气流限制器，其定位于所述减压区的上游并且可在打开位置与受限位置之间移动，使得在所述受限位置中仍然允许空气流通过所述文丘里管入口，但空气流受到所述空气流限制器的限制，其中，所述空气流限制器包括盘形阀元件，当所述空气流限制器处于所述受限位置中时，所述空气流限制器围绕所述盘形阀元件限定环形流路径。
2.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中：
所述环形流路径具有在从0.010英寸到0.150英寸的范围内的环形厚度。
3.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中：
所述至少一个气体阀包括较大气体阀和较小气体阀，两个气体阀都与所述文丘里管的所述减压区连通。
4.根据权利要求3所述的燃烧器组件，其中：
所述较小气体阀包括在所述空气流限制器的上游连通的参考压力线路。
5.根据权利要求3所述的燃烧器组件，其还包括：
控制器，其以可操作方式与所述空气流限制器、所述较大气体阀和所述较小气体阀相关联，当所述空气流限制器处于所述打开位置中时所述控制器配置成操作所述较大气体阀，并且当所述空气流限制器处于所述受限位置中时所述控制器配置成操作所述较小气体阀。
6.根据权利要求5所述的燃烧器组件，其中：
所述鼓风机是可变速鼓风机，其具有在鼓风机速度范围内可变化的鼓风机速度；并且
所述控制器以可操作方式与所述鼓风机相关联，并且配置成使得当所述较大气体阀可操作并且所述空气流限制器处于所述打开位置中时通过在所述鼓风机速度范围内变化所述鼓风机速度而可在较高燃烧器输出范围内调节所述燃烧器，并且使得当所述较小气体阀可操作并且所述空气流限制器处于所述受限位置中时通过在所述鼓风机速度范围内变化所述鼓风机速度而可在较低燃烧器输出范围内调节所述燃烧器。
7.根据权利要求6所述的燃烧器组件，其中，所述较高燃烧器输出范围重叠所述较低燃烧器输出范围。
8.根据权利要求6所述的燃烧器组件，其中，所述燃烧器组件具有为至少25:1的从所述较高燃烧器输出范围的高端到所述较低燃烧器输出范围的低端的调节比。
9.根据权利要求6所述的燃烧器组件，其中，所述较高燃烧器输出范围具有为至少750,000 BTU/hr的高端。
10.根据权利要求5所述的燃烧器组件，其还包括：
引燃器，其相邻所述燃烧器定位使得来自所述引燃器的引燃火焰可对所述燃烧器进行点火；
引燃器阀，其使气体源与所述引燃器连通；并且
其中所述控制器配置成在所述较小气体阀的操作与所述较大气体阀的操作之间转换之前打开所述引燃器阀从而引发所述引燃火焰。
11.根据权利要求10所述的燃烧器组件，其中：
所述控制器配置成在所述较小气体阀的操作与所述较大气体阀的操作之间转换之后关闭所述引燃器阀。
12.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中：
所述文丘里管包括文丘里管本体，其包括从所述文丘里管入口到所述文丘里管出口的文丘里管通道；并且
所述空气流限制器定位于所述文丘里管通道内。
13.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其中：
所述文丘里管包括直径减小的喉部，并且所述减压区包括围绕所述直径减小的喉部并与所述直径减小的喉部连通的环形区。
14.根据权利要求1所述的燃烧器组件，其与水加热器结合，所述水加热器与所述燃烧器处于热交换关系。
15.一种燃烧器组件，其包括：
燃烧器；
鼓风机，其位于所述燃烧器的上游；
文丘里管，其位于所述鼓风机的上游；
阻尼阀，其位于所述文丘里管的上游，所述阻尼阀具有打开位置和受限位置；
较小气体阀，其与所述文丘里管连通；
较大气体阀，其与所述文丘里管连通；以及
控制器，其以操作方式与所述鼓风机、所述阻尼阀以及所述较小和较大气体阀相关联。
16.根据权利要求15所述的燃烧器组件，其中：
所述控制器限定所述燃烧器组件的低范围操作模式和所述燃烧器组件的高范围操作模式。
17.根据权利要求16所述的燃烧器组件，其中：
在所述低范围操作模式中，所述阻尼阀处于所述受限位置中，所述较小气体阀以可操作方式与所述文丘里管连通，并且所述鼓风机被调节成在低输出范围内将燃料和空气混合物提供到所述燃烧器。
18.根据权利要求17所述的燃烧器组件，其中：
在所述高范围操作模式中，所述阻尼阀处于所述打开位置中，所述较大气体阀以可操作方式与所述文丘里管连通，并且所述鼓风机被调节成在高输出范围内将燃料和空气混合物提供到所述燃烧器，所述高输出范围比所述低输出范围扩展得更高并与所述低输出范围重叠。
19.根据权利要求16所述的燃烧器组件，其还包括：
引燃器，其相邻所述燃烧器定位；
引燃器阀，其使气体源与所述引燃器连通；并且
其中所述控制器在所述低范围操作模式与所述高范围操作模式之间转换之前打开所述引燃器阀以引发引燃火焰。
20.根据权利要求15所述的燃烧器组件，其中：
所述阻尼阀包括阀本体，所述阀本体具有穿过其中的圆形横截面通道，所述圆形横截面通道具有纵向轴线，所述阻尼阀还包括盘形阀元件，所述盘形阀元件当所述阻尼阀处于其受限位置中时同中心地安置在所述圆形横截面通道内，所述盘形阀元件经尺寸设计使得当所述阻尼阀处于其受限位置中时在从0.010英寸到0.150英寸的范围内的环形间隔限定在所述盘形阀元件与所述圆形横截面通道之间，当所述阻尼阀处于其打开位置中时所述盘形阀元件可旋转到平行于所述纵向轴线的位置。
21.根据权利要求20所述的燃烧器组件，其中，所述环形间隔在从0.050英寸到0.120英寸的范围内。
22.根据权利要求20所述的燃烧器组件，其中：
所述盘形阀元件具有在从3.0英寸到6.0英寸的范围内的直径。
23.根据权利要求15所述的燃烧器组件，其中，所述阻尼阀包括：
阻尼阀本体，所述阻尼阀本体具有穿过其中的圆形横截面通道并具有通道直径；
阀轴，其沿着直径方向延伸通过所述圆形横截面通道；
阀盘，其附接到所述阀轴并具有小于所述通道直径的直径；以及
阀马达，其附接到所述阀轴并被构造成在所述打开位置与所述受限位置之间使所述阀轴旋转大约90°。
24.根据权利要求23所述的燃烧器组件，其中：
所述阀马达当其在其打开位置与受限位置之间移动所述阻尼阀时始终在相同方向上旋转。
25.根据权利要求23所述的燃烧器组件，其中，所述阻尼阀还包括：
弹簧，其安置成围绕所述阀轴并相对于所述阻尼阀本体偏压所述阀轴，从而消除所述阀盘在所述圆形横截面通道内的直径定位中的松弛。
26.根据权利要求15所述的燃烧器组件，其与水加热器结合。
27.一种根据权利要求15所述的燃烧器组件的操作方法，所述操作方法包括：
(a)在通过处于所述受限位置中的所述阻尼阀将空气抽吸到所述文丘里管的同时并且在通过所述较小气体阀将燃料气体抽吸到所述文丘里管的同时，通过调节所述鼓风机的速度而在低输出范围内调节所述燃烧器；以及
(b)在通过处于所述打开位置中的所述阻尼阀将空气抽吸到所述文丘里管的同时并且在通过所述较大气体阀将燃料气体抽吸到所述文丘里管的同时，通过调节所述鼓风机的速度而在高输出范围内调节所述燃烧器。
28.根据权利要求27所述的操作方法，其中：
所述高输出范围的低端比所述低输出范围的高端小至少50,000 BTU/hr。
29.根据权利要求27所述的操作方法，其中：
在步骤(a)中，空气通过相邻所述文丘里管的内壁的所述阻尼阀的环形通道流动到所述文丘里管，使得所述空气主要在相邻所述内壁的边界层中流动，其中所述阻尼阀包括阀本体和盘形阀元件，所述阀本体具有穿过其中的圆形横截面通道，所述盘形阀元件当所述阻尼阀处于其受限位置中时同中心地安置在所述圆形横截面通道内，其中所述环形间隔限定在所述盘形阀元件与所述圆形横截面通道之间。
30.根据权利要求27所述的操作方法，其还包括：
采用自动控制器控制从所述低输出范围到所述高输出范围的转换，所述自动控制器调节所述鼓风机速度、启动所述较大气体阀、停用所述较小气体阀并打开所述阻尼阀。
31.根据权利要求30所述的操作方法，其还包括：
在从所述低输出范围转换到所述高输出范围之前打开引燃器阀以点燃相邻所述燃烧器的引燃器，其中，所述引燃器阀使气体源与所述引燃器连通。
32.根据权利要求27所述的操作方法，其还包括：
采用自动控制器控制从所述高输出范围到所述低输出范围的转换，所述自动控制器调节所述鼓风机速度、启动所述较小气体阀、停用所述较大气体阀并使所述阻尼阀移动到所述受限位置。
33.根据权利要求32所述的操作方法，其还包括：
在从所述高输出范围转换到所述低输出范围之前打开引燃器阀以点燃相邻所述燃烧器的引燃器，其中，所述引燃器阀使气体源与所述引燃器连通。
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