CN107314394A - 利用火焰辐射预热助燃空气的预热体及具有其的热能设备 - Google Patents

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CN107314394A CN201710541372.9A CN201710541372A CN107314394A CN 107314394 A CN107314394 A CN 107314394A CN 201710541372 A CN201710541372 A CN 201710541372A CN 107314394 A CN107314394 A CN 107314394A
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Abstract

本发明公开了利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,其特征在于:所述预热体具有吸收火焰辐射的一系列的受热传热面,每两个相邻的所述受热传热面之间为助燃空气通道,所述预热体将火焰辐射能转换所得的热能传递给流经且直接接触所述受热传热面的助燃空气;所述预热体的结构形式设置为所述预热体对于射向所述预热体的火焰辐射呈现黑体效应。所述预热体的具体形式包括螺旋卷片式、放射翅片式、多孔透气式、旋涡翅片式等。本发明还公开了具有利用火焰辐射预热助燃空气的预热体的热能设备。本发明预热体将用火焰加热物体基本方式中的向外界散发的火焰辐射能吸收转换为热能,然后利用这些热能预热助燃空气,从而避免火焰辐射热损失,提高热效率。

Description

利用火焰辐射预热助燃空气的预热体及具有其的热能设备
技术领域
本发明涉及燃烧设备及部件,更具体地涉及利用火焰辐射预热助燃空气的预热体及具有其的热能设备。
背景技术
在一百万年前的史前遗址中找到原始人类用火痕迹的案例在考古学研究中有所报道,例如考古勘探曾在史前原始人遗址的洞穴内发现厚达5厘米的灰烬堆,其周围有木炭屑。据推测原始人类是从雷电引起的森林大火取得火种,然后逐渐掌握了人工生火的方法。拥有火后才能烹饪食物,原始人才能吃到熟食,促进人体大脑的发育和生产生活体制的进化。熟食还显著扩大了食物的来源和种类。火提供的热量还帮助人们取暖越冬,拓展了在高纬度地区的活动范围。
在公元前数万年至数千年的陶器时代,人类曾大规模生产陶器作为生活用具,烧制陶器时火的使用是必需的。在公元前数千年至公元初年的青铜器时代及随后的铁器时代,人类用金属冶炼术来制作各种生产生活用具和冷兵器(如刀和剑),冶炼金属时火的使用是不可或缺的。在始于公元十八世纪的工业革命中,大规模开采矿物燃料用于燃烧以及各种热能动力机械的发明起到了关键性的推动作用。
可以讲,学会生火、用火并不断拓展火的应用范围为原本茹毛饮血的原始人类与其它动物区别开来逐渐进化为拥有灿烂文明的近代人类的最重要因素之一。在人类漫长的进化和文明发展史的每一阶段中,火及其热能应用技术都起到了极其重要的作用。
进入二十一世纪,人类拥有相当发达的科技。但是,当前人们的日常生活和生产活动仍然离不开火的使用。每时每刻全世界有不计其数的发电厂和锅炉依靠使用大中型燃烧器燃烧煤炭或燃油提供热能;各种交通工具如机动车、船舶、飞机依靠燃油发动机提供动力。冶金、化工、电子、机械等工业部门普遍使用以燃气、燃油或燃煤为燃料的各种炉窑和工业炉。机械工业金属焊接和切割、玻璃制造业、食物和农副产品的干燥和加工、实验室化学反应和高温焙烧、医疗和生物器械灭菌消毒等高温加热操作常使用中小型燃烧器如火炉、火炬、本生灯、酒精灯、酒精喷打、煤油喷灯提供热能。在人们的日常生活中,每个人每天需用火若干次。例如,用燃气灶烹饪食物,用燃气热水器加热生活用水。还有众多烟民每人每天用火点燃数支至数十支香烟。所以说,现代人类的生活与古代人类的生活一样离不开火的使用。
图1表示人们用火加热物体的基本方式。燃烧器位于下方,拟加热的物体位于燃烧器火焰的上方。图1中的燃烧器可以是任何类型的产生火焰的器具(如打火机、酒精灯、酒精喷打、煤油喷打、本生灯、火炉、火炬、灶具、工业燃气或燃油燃烧器等等),拟加热的物体可以是任何种类的物体(如香烟、试管、烧杯、烧瓶、坩埚、平底锅、圆底锅、物料、食物、产品、零件、工件、器械、换热器排管或盘管等等)。
图1所示火焰旁边的虚线箭头表示火焰向周围发出热辐射。例如:当我们打着打火机火焰,然后从左、右、前、后、上、下各个方向观察火焰时,我们从各个方向都可以看到火焰发光。事实上,火焰是在整个火焰体积内向空间的所有方向同时发出热辐射。就是说,火焰及热烟气的辐射为体积辐射。显而易见的是,由于图1中拟加热的物体位于火焰的上方,仅有小部分的火焰辐射是射向拟加热的物体,其余大部分的火焰辐射是射向周围空间而没有被有效利用(称为“火焰辐射热损失”)。举例来说,在实验室用酒精灯火焰加热一个置于酒精灯上方的烧瓶时,仅有大约30%的火焰辐射到达烧瓶,其余70%的火焰辐射向周围散发而被浪费掉了。
图1中被加热的物体两侧的粗实线箭头表示火焰产生的热烟气流经所加热的物体,然后向上排走。热烟气流经物体时主要以对流传热的方式将热量传递给物体。但是,热烟气与物体的接触面积不大且接触时间短暂,热烟气含有的热量中仅有一部分能够传递给物体,向上排走的热烟气仍具有相当高的温度。热烟气排放携带走的那部分热量称为“排烟热损失”。
图1中火焰体积周围是被外界的冷空气所包围,火焰与周围冷空气之间会发生质量、动量和热量的交换。一方面,周围冷空气提供了火焰完全燃烧所需的氧气。另一方面,火焰周围冷空气的流动可带走火焰的热量。换句话说,周围空气对火焰具有冷却作用。周围空气的流速越大,则被其带走的热量越多,其对火焰的冷却作用越大。大风甚至能够熄灭火焰。另外,流入燃烧区的常温助燃空气需要耗费火焰热量加热达到较高的的温度后才能与燃料发生燃烧反应。空气(包括环境空气、自然通风或强制通风的助燃空气及过量空气)对火焰的冷却作用所引起的热损失称为“空气冷却热损失”。
图1中燃烧器两侧的细实线箭头表示被火焰射流卷吸进入燃烧区的助燃空气。火焰通常是发生在一个窄小区域内的剧烈化学反应,该化学反应消耗氧气的速度一般大于空气供氧的速度。当火焰燃烧区供氧不足或燃料与氧气混合不良时容易发生不完全燃烧,引起“不完全燃烧热损失”。
图1中人们使用燃烧器产生火焰的目的是要加热物体。但如上所述,火焰辐射热损失、排烟热损失、空气冷却热损失和不完全燃烧热损失导致燃料燃烧放热量中只有一部分能够真正被用于加热物体。这些实际得到有效利用的热量占所消耗燃料完全燃烧时总放热量的比例称为“热效率”。由于图1所示用火焰加热物体基本方式存在如上所述的诸多热损失途径,因此其热效率并不高。目前仍有许多的工业和民用燃烧加热设备(如本生灯、喷灯、家用燃气灶具、商用燃气灶具、燃油灶具、辐射加热器)的加热方式与图1相类似,普遍的问题是热损失大,热效率低。
发明内容
本发明的目的是针对图1所示用火焰加热物体基本方式的热损失大、热效率低的问题,提供一种利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,该预热体应用于工业和民用燃烧加热设备时能够取得降低热损失、提高热效率的效果。
为此,本发明提供:
利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,其特征在于:所述预热体具有吸收火焰辐射的一系列的受热传热面,每两个相邻的受热传热面之间为助燃空气通道,所述预热体将火焰辐射能转换所得的热能传递给流经且直接接触所述受热传热面的助燃空气。
进一步地,所述预热体的结构形式设置为所述预热体对于射向所述预热体的火焰辐射呈现黑体效应。
进一步地,所述预热体的结构形式设置为所述预热体及其内部的热气体可以产生烟囱效应,助燃空气在烟囱效应引风力的作用下流进所述预热体。
进一步地,所述预热体具有的吸收火焰辐射的一系列的受热传热面的总面积大于或者等于额定功率时火焰外表面积的30倍。
更进一步地,所述预热体由若干金属薄片构成,所述金属薄片的表面为受热传热面,所述金属薄片布置为每两个相邻的受热传热面之间形成可作为助燃空气通道的窄缝空隙,并且每两个相邻的受热传热面之间窄缝空隙的开口位置和方向均朝向火焰使得火焰辐射可以射入窄缝空隙内部发生黑体效应。
上述的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体包括但不限于以下的具体形式:
(A)所述预热体为平位放射翅片式预热体、高位放射翅片式预热体或者低位放射翅片式预热体,其特征在于:
所述平位放射翅片式预热体包括一系列的放射状翅片、圆筒,所述放射状翅片用金属薄片制作,所述放射状翅片以所述圆筒的中轴线为中心呈放射状地排列在所述圆筒的内部,所述放射状翅片之间窄缝空隙为助燃空气通道,所述放射状翅片离所述圆筒中轴线的近端形成直径比所述预热体应用的燃烧器头部外径大1至4cm的中部通孔,所述中部通孔的上边缘与燃烧器头部最上端平齐,所述圆筒的下部和上部分别开设有空气进口和排烟口;
所述高位放射翅片式预热体包括一系列的放射状翅片、圆筒和圆环板,所述放射状翅片用金属薄片制作,所述圆环板安装在所述圆筒的顶部,所述圆环板具有中部开孔,所述放射状翅片以所述圆筒的中轴线为中心呈放射状地排列在所述圆筒的内部,所述放射状翅片之间窄缝空隙为助燃空气通道,在所述圆筒底端至所述预热体应用的燃烧器头部高度的部位所述放射状翅片离所述圆筒中轴线的近端形成直径比燃烧器头部外径大1至4cm的中部通孔,所述中部通孔的上边缘与燃烧器头部最上端平齐,在燃烧器头部以上2至3cm至所述圆环板的部位所述放射状翅片离所述圆筒中轴线的的近端共同构成一个用于容纳被加热物体的圆柱状空腔,所述高位放射翅片式预热体的二分之一高度处高于燃烧器头部最上端;
所述低位放射翅片式预热体包括一系列的放射状翅片、圆锥筒和圆鼓筒,所述放射状翅片用金属薄片制作,所述放射状翅片以所述圆锥筒的中轴线为中心呈放射状地排列在所述圆锥筒的内部,所述放射状翅片之间窄缝空隙为助燃空气通道,所述放射状翅片离所述圆锥筒中轴线的近端形成与所述预热体应用的燃烧器头部外径相适配的中部通孔,所述中部通孔的上边缘低于燃烧器头部最上端,所述圆鼓筒的侧壁开设有排烟口,所述排烟口经烟道通向排烟筒,所述烟道上设有阀门,所述低位放射翅片预热体的二分之一高度处低于燃烧器头部最上端。
(B)所述预热体为螺旋卷片式预热体、圆锥叠套式预热体、螺旋绕片式预热体或者多层折叠式预热体,其特征在于:
所述螺旋卷片式预热体包括螺旋卷片部和圆筒,所述螺旋卷片部用金属薄片按螺旋状地卷制成,螺旋卷片之间的窄缝空隙为助燃空气通道,所述圆筒连接所述螺旋卷片部上端外侧,所述螺旋卷片部具有与所述预热体应用的燃烧器头部外径相适配的中部通孔,所述中部通孔的上边缘低于燃烧器头部最上端。
所述圆锥叠套式预热体包括若干个金属薄壁圆锥筒,所述圆锥筒具有中部通孔,所述中部通孔的直径比所述预热体应用的燃烧器头部外径大1至4cm,所述圆锥筒依次从上往下叠套,上一个圆锥筒的壁面与下一个圆锥筒的壁面之间形成的圆锥台面形状的窄缝空隙为助燃空气通道,上一个圆锥筒与下一个圆锥筒之间的支承为上一个圆锥筒底部的垂直向下弯折的圆环状金属薄片,所述垂直向下弯折的圆环状金属薄片上绕圆周方向均匀地开设有助燃空气进口;
所述螺旋绕片式预热体由长度/宽度比大于60的金属薄片环绕所述预热体中轴线连续向下盘旋为螺旋状而绕制成,螺旋绕片之间窄缝空隙为助燃空气通道,所述螺旋绕片式预热体具有直径比所述预热体应用的燃烧器头部外径大1至4cm的中部通孔。
所述多层折叠式预热体由长度/宽度比大于60的金属薄片沿长度方向连续地、反复地、以相同的沿长度方向上的间距地折叠成,使其从侧面看时形成连续的WWW的形状,所述已经折叠完毕的金属薄片头尾相接成为空心圆环体形状,每两片相邻的折叠金属薄片之间的窄缝空隙为助燃空气通道,所述多层折叠式预热体具有直径比所述预热体应用的燃烧器头部外径大1至4cm的中部通孔。
(C)所述预热体为旋涡翅片式预热体,包括一系列的旋涡状翅片、内圆筒、外圆筒、圆顶板和圆底板,所述旋涡状翅片以所述内圆筒的中轴线为中心排列在所述内圆筒内部的下半部,所述旋涡状翅片之间窄缝空隙为助燃空气通道,所述内圆筒和外圆筒之间形成中空夹层,所述外圆筒的顶部和底部分别由所述圆顶板和圆底板封闭,所述内圆筒固定安装在所述圆顶板下方,所述内圆筒的下端与所述圆底板之间有间隙,所述外圆筒壁面沿切向开设有助燃空气进口,所述内圆筒上端壁面沿切向开设有燃料进口,所述圆顶板上设有排烟口。
(D)所述预热体为多孔透气式预热体或者换热列管式预热体,其特征在于:
所述多孔透气式预热体包括圆鼓筒和位于所述圆鼓筒内侧的、与所述圆鼓筒的形状相适应的多孔透气体,所述圆鼓筒与多孔透气体之间形成中空夹层,所述多孔透气体为多孔金属透气体、金属纤维透气体、泡沫陶瓷透气体或者蜂窝陶瓷体透气体,所述多孔透气体内的透气孔为助燃空气通道,所述圆鼓筒壁面沿切向开设有空气进口,所述圆鼓筒底部安装燃烧器,燃烧器周围有环形排烟口;
所述换热列管式预热体包括一系列的换热列管、第一圆筒、第二圆筒、第三圆筒、第四圆筒、圆顶板和圆底板,第一圆筒、第二圆筒、第三圆筒、第四圆筒的直径依次增大,第三圆筒和第四圆筒的顶部和底部分别由所述圆顶板和圆底板封闭,第三圆筒和第四圆筒之间形成中空夹层,第一圆筒固定安装在圆顶板下表面,第一圆筒的下端与圆底板之间有间隙,第二圆筒固定安装在圆底板上表面,第二圆筒的上端与圆顶板之间有间隙,所述换热列管穿过第一圆筒和第二圆筒,所述换热列管连通第一圆筒内的燃烧区和第三圆筒与第四圆筒之间的中空夹层,所述换热列管的管内为助燃空气通道,所述换热列管是绕圆周方向均匀地布置在第三圆筒以内的,所述圆底板上开设有燃料进口,所述圆底板在第二圆筒与第三圆筒之间位置上开设有排烟口。
本发明还提供具有上述利用火焰辐射预热助燃空气的预热体的热能设备,其特征在于,包括以上任一项所述的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体。
本发明预热体的作用是将图1所示用火加热物体基本方式中的向外界散发的火焰辐射能吸收转换为热能,然后利用这些热能预热助燃空气,从而避免火焰辐射热损失,提高热效率。
附图说明
图1是现有技术的用火加热物体基本方式示意图。
图2是本发明实施例1的螺旋卷片式预热体示意图。
图3是卷制本发明实施例1的螺旋卷片式预热体所使用的铜箔片的裁剪形状示意图。
图4是本发明实施例1的螺旋卷片式预热体吸收火焰辐射来预热助燃空气的原理图。
图5是本发明实施例2的平位放射翅片式预热体示意图。
图6是图5的A-A剖视图。
图7是本发明实施例3的高位放射翅片式预热体示意图。
图8是本发明实施例4的圆锥叠套式预热体示意图。
图9是本发明实施例5的一种具有低位放射翅片式预热体的自然通风燃烧加热设备的结构示意图。
图10是本发明实施例6的一种具有多孔透气式预热体的强制通风燃烧加热设备的结构示意图。
图11是本发明实施例7的一种具有旋涡翅片式预热体的强制通风燃烧加热设备的结构示意图。
图12是本发明实施例8的一种具有换热列管式预热体的强制通风燃烧加热设备的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
以下实施例中列举的数据仅仅是为了更好地说明本发明的内容而给出的示例性数据,除非另有说明,不构成对本发明权利要求的任何限制。
本说明书中,“火焰辐射”是指火焰燃烧所引发的全部辐射,包括火焰的发光区域发出的所有辐射(含可见、紫外和红外部分)、非发光区域的燃烧产物发出的所有辐射、火焰的发光和非发光区域的碳微粒发出的所有辐射、及上述辐射被其它表面反射和散射的部分、以及被加热的物体或其它表面达到高温后该被加热的物体或其它表面发出的红外辐射。“受热传热面”是指那些能够吸收火焰辐射并将火焰辐射能转换所得的热能传递给与所述受热传热面直接接触的助燃空气的表面。上述两个用语在本说明书中的含义与其公知含义有区别,因此在以下的实施例中将结合具体实施方式更详细地说明这两个用语在本说明书中的含义。
实施例1
如图2所示,为本发明中一种螺旋卷片式预热体示意图。参见图2,螺旋卷片式预热体1包括螺旋卷片部11和圆筒12。螺旋卷片部11的高度稍低于所应用的燃烧器头部的高度;圆筒12的高度大于或者等于拟加热的物体离开燃烧器头部的高度。螺旋卷片式预热体1的高度为螺旋卷片部11的高度与圆筒12的高度之和。螺旋卷片部11具有中部通孔,该中部通孔与燃烧器头部外径相适配。
螺旋卷片式预热体1是利用铜箔片按照以下方法卷制成的:
(1)从市场购买铜箔片。铜箔片的厚度规格可在单零箔(0.1至0.01mm)中任选一种;宽度规格等于所需制作的螺旋卷片式预热体1的高度;长度规格一般为10m每卷铜箔片。
(2)从一卷铜箔片将所需长度的铜箔片拉出、摊平后裁剪为图3所示形状,其左侧的高度等于所需制作的螺旋卷片式预热体1的螺旋卷片部11的高度,右侧的高度等于所需制作的螺旋卷片式预热体1的高度(需要说明的是,图2和图3均为示意图,图3仅表示用于卷制本发明实施例1的螺旋卷片式预热体所使用的铜箔片的裁剪形状,并未按比例绘图,且图2和图3的绘图比例不同)。
(3)在裁剪好的铜箔片的左端放一个外径与燃烧器头部外径相同的圆筒(称为“卷制用圆筒”),然后将图3所示铜箔片从左向右地卷在该圆筒上(卷制时保持铜箔片的表面大致平行于该圆筒的中轴线),直至铜箔片的右端全部卷绕在该圆筒上,即是将图3所示的原本为平面的铜箔片卷制成为图2所示的螺旋卷片式预热体1。使用其它工具调整螺旋卷片之间的空隙使得从上方和下方沿卷制用圆筒中轴线方向看时螺旋卷片呈现均匀的、离中轴线的距离逐渐增大的连续螺旋线形状。
(4)将保温材料包绕在螺旋卷片式预热体1外表面并扎紧。保温材料可选用不燃耐高温材料如玻璃纤维布、硅酸铝纤维布。
(5)从螺旋卷片式预热体1内取下卷制用圆筒。该卷制用圆筒取下后所空出的圆柱状空间即为螺旋卷片部11的中部通孔。
使用时将螺旋卷片式预热体1的螺旋卷片部11的中部通孔对准燃烧器头部,将螺旋卷片式预热体1套在燃烧器头部,螺旋卷片部11的中部通孔的上边缘应该低于燃烧器头部最上端,如图2所示。安装完毕后可按照常规的方法点着燃烧器产生火焰,火焰及烟气通过对流和辐射传热来加热物体。燃料燃烧所需的助燃空气(或部分的助燃空气)由螺旋卷片式预热体1的底部进入后向上流经各螺旋卷片之间的窄缝空隙进入燃烧器上方的燃烧区。已燃烟气由螺旋卷片式预热体1的圆筒12上边缘与被加热的物体之间的空隙向上排出。
图2中,火焰向上方发出的辐射到达被加热的物体,火焰向下方发出的辐射到达螺旋卷片式预热体1的螺旋卷片部11。图4为螺旋卷片部11吸收火焰辐射用以预热助燃空气的原理图。图4中的六条垂直线条表示图1的螺旋卷片部11的一个局部放大图中的六片螺旋卷片。火焰辐射从上方射入两片相邻的螺旋卷片之间的窄缝空隙,那些到达左边的卷片表面的火焰辐射的一部分被左边的卷片表面所吸收,其余部分被反射到达右边的卷片表面。这些到达右边的卷片表面的辐射的一部分被右边的卷片表面所吸收,其余部分再次被反射到达左边的卷片表面。如此经过若干次的反射/吸收,接近全部的火焰辐射被螺旋卷片表面所吸收。就是说,螺旋卷片式预热体1的螺旋卷片部11的每两片相邻的卷片之间的空隙对于射入该空隙的火焰辐射呈现黑体效应。整个螺旋卷片部11对于照射至其上部的火焰辐射也就呈现黑体效应。因此,螺旋卷片部11能够高效地吸收火焰辐射。
螺旋卷片部11的螺旋卷片表面吸收的火焰辐射能在螺旋卷片表面转换为热能,使螺旋卷片表面温度升高。由螺旋卷片式预热体1的底部进入的冷空气向上流经每两片相邻的卷片之间的空隙时与螺旋卷片表面直接接触,螺旋卷片表面的热能传递给冷空气,使得这些冷空气被加热成为热空气。然后这些热空气向上流入燃烧区用作燃料燃烧的助燃空气(或部分的助燃空气)。虽然图4中只示出中间的两片螺旋卷片吸收火焰辐射来预热助燃空气,其它任意的两片相邻的螺旋卷片具有相同的作用。螺旋卷片表面既是吸收火焰辐射的表面,同时又是与需要预热的助燃空气直接接触从而将火焰辐射能转换所得的热能直接传递给助燃空气的表面。本说明书中,“受热传热面”是指那些能够吸收火焰辐射并将火焰辐射能转换所得的热能传递给与所述受热传热面直接接触的助燃空气的表面。上述“受热传热面”的含义是这些受热传热面的若干个原子层厚度的表层吸收火焰辐射能后将火焰辐射能转换为该表层的热能,然后该表层将热能或部分的热能传递给与该表层的外层原子直接接触的助燃空气。上述受热传热面利用火焰辐射能加热助燃空气的传热过程是极其快速和高效的,与现有技术的利用烟气余热预热助燃空气的间壁传热方式相比较有着实质性的区别。
螺旋卷片部11上部吸收的火焰辐射能多于其下部吸收的火焰辐射能,因此螺旋卷片部11上部的温度高于其下部的温度。螺旋卷片部11的制作材料优选采用铜箔片主要是因为铜的导热性能极佳(紫铜的导热系数为393W/m·K,相比较,钢的导热系数为30W/m·K)。采用铜箔片十分有利于热量从螺旋卷片部11上部向其下部传导从而提高下部的温度,使得螺旋卷片部11与助燃空气接触的全部表面均为有较大的传热温差和较好的传热效果的传热面。
螺旋卷片式预热体1的螺旋卷片部11内部主要为热空气,圆筒12内部主要为热烟气。这些热空气和热烟气的温度高于常温,其密度低于大气密度,使得螺旋卷片式预热体1内部的热空气和热烟气具有较大的浮升力。就是说,由于螺旋卷片式预热体1内部形成了一个具有相当高度的完整的热气柱,螺旋卷片式预热体1可产生较显著的烟囱效应。另外,当火焰射流从燃烧器头部喷出时对于圆筒12内的热烟气有向上的推动力,同时火焰射流对于螺旋卷片部11内的热空气有向上的卷吸力(其本质是气体之间粘性引起的动量传递)。上述的螺旋卷片式预热体1的烟囱效应以及火焰射流的推动力和卷吸力促使外界冷空气由螺旋卷片式预热体1底部流入,热烟气从螺旋卷片式预热体1顶部排出,如图2所示。
螺旋卷片式预热体1的作用情况进一步说明如下:在燃烧器火焰点燃时,火焰会向各个方向发出热辐射。那些向上方向的辐射被所加热的物体吸收,向下方向的辐射由螺旋卷片部11吸收。另外,那些水平或大致水平方向的辐射则主要被圆筒12内表面吸收,圆筒12内表面转换火焰辐射能及其与热烟气接触所获得的热能可沿圆筒12的筒壁向螺旋卷片部11传递,然后用于预热助燃空气。由此可见,火焰辐射中除了那些射向被加热物体的部分之外的其余绝大部分都能够被螺旋卷片式预热体1吸收。由于卷制螺旋卷片式预热体1所用的铜箔片的厚度仅为0.1至0.01mm,其表面积相当大,传热性能优良,且铜箔片本身的重量很轻,蓄热量很小,而且螺旋卷片式预热体1的结构形式具有相当大的与助燃空气直接接触的传热面积。另外,螺旋卷片式预热体1的结构形式还具有相当低的助燃空气流动阻力,助燃空气容易沿着每两片相邻的螺旋卷片之间的垂直走向的空隙向上流动。由上述可见,螺旋卷片式预热体1可以将火焰辐射能转换所得的热能快速地、高效地传递给助燃空气。经过预热的助燃空气流入燃烧区,可以提高燃烧温度、改善加热效果。
本发明螺旋卷片式预热体1的受热传热面的总面积越大,预热助燃空气的效果越好。为了进行直观的面积大小的比较,本发明选择采用额定功率时火焰外表面积作为比较的基准,因为从火焰的发光轮廓容易确定火焰的高度和直径,然后将火焰外表面积取为以火焰高度为高度并以火焰直径为直径的圆柱体的表面积。从图2可以直观地看出:由于螺旋卷片部11的位置低于火焰,螺旋卷片部11受到火焰辐射的加热所能达到的温度不会很高。另外,助燃空气经螺旋卷片之间的空隙向上流动属于自然对流,自然对流的换热系数一般较小。在螺旋卷片表面温度不高和自然对流换热系数较小的情况下,如果受热传热面的总面积仅为火焰外表面积的两三倍(相当于将铜箔片在燃烧器头部周围绕两三圈),将不会有明显的预热助燃空气的效果;当受热传热面的总面积大约为火焰外表面积的10倍时可取得一定的预热助燃空气的效果;一般来说,螺旋卷片部11的受热传热面的总面积为额定功率时火焰外表面积的30倍以上时可以取得相当显著的预热助燃空气的效果。
本发明螺旋卷片预热体1结构形式的突出优点是容易获得很大的受热传热面的总面积,并且这些受热传热面全部为垂直走向的光滑表面使得助燃空气流经这些受热传热面时只有很低的沿程流动阻力。进一步地,螺旋卷片式预热体1具有的烟囱效应产生的引风力使得外界空气能够克服螺旋卷片式预热体1底部空气进口的局部阻力和各受热传热面的沿程流动阻力进入燃烧器火焰燃烧区。
对比图1和图2:图1加热方式的热损失为火焰辐射热损失、排烟热损失、空气冷却热损失和不完全燃烧热损失。图2加装了螺旋卷片式预热体1之后,原先向外界散发的火焰辐射的绝大部分被螺旋卷片式预热体1吸收并用于预热助燃空气从而得到了有效利用。因此,图2很大程度上避免了“火焰辐射热损失”。螺旋卷片式预热体1还隔绝了外界冷空气对燃烧器火焰的影响,大幅度降低了“空气冷却热损失”。助燃空气得到预热后火焰燃烧温度有所提高,“不完全燃烧热损失”也有一定程度的减少。以上因素使得图2加热设备的热效率比起图1有较为显著的提高。
上述热效率提高的幅度主要取决于火焰辐射的大小。当火焰为蓝焰时,肉眼可见的火焰发光仅占火焰辐射能的其中一小部分,而燃烧产物二氧化碳和水蒸气发出的肉眼不可见的红外线能量占到火焰辐射能的较大部分。蓝焰的火焰辐射能(包括火焰的发光区域发出的可见光、紫外光和红外线能量、以及火焰外围及下游的非发光区域的热烟气所含二氧化碳和水蒸气发出的红外线能量等)可达燃烧总放热量的10%至20%。这种情形下,图2加装了螺旋卷片式预热体1之后的热效率比起图1可提高大约10%至20%。
当火焰为黄焰时,火焰中碳微粒发出的较强连续可见光谱显著增大火焰的辐射强度,黄焰的火焰辐射能(包括火焰的发光区域发出的可见光、紫外光和红外线能量、火焰外围及下游的非发光区域的热烟气所含二氧化碳和水蒸气发出的红外线能量、以及火焰的发光和非发光区域的碳微粒发出的可见光和红外线能量等)可达燃烧总放热量的20%至30%。这种情形下,图2的热效率比起图1可提高大约20%至30%。
现有技术文献中,“火焰辐射”一般是指火焰的发光区域发出的辐射;在多数场合下,“火焰辐射”不包括非发光区域的燃烧产物二氧化碳和水蒸气发出的红外辐射。本说明书中,“火焰辐射”是指火焰燃烧所引发的全部辐射,包括火焰的发光区域发出的所有辐射(含可见、紫外和红外部分)、非发光区域的燃烧产物发出的所有辐射、火焰的发光和非发光区域的碳微粒发出的所有辐射、及上述辐射被其它表面反射和散射的部分、以及被加热的物体或其它表面达到高温后该被加热的物体或其它表面发出的红外辐射。这是因为火焰燃烧所引发的绝大部分的辐射均可被本发明的预热体所吸收并用于预热助燃空气。
本发明螺旋卷片式预热体除了具有以上说明的提高热效率的效果之外,还具有其它的有益效果。以下一并列出其有益效果:
(1)可减少热损失、提高热效率;
(2)可防风稳焰,提高使用安全性;
(3)可提高燃烧温度,减少黄焰,降低污染物形成和排放;
(4)可避免火焰辐射对于使用者的不良影响。
加装本发明螺旋卷片式预热体时要求在燃烧器头部周围有足够大的安装空间。目前实用的燃烧加热设备中各种本生灯、喷灯、火炬尤其适合使用本发明螺旋卷片式预热体。实际使用的本生灯的灯管(即等同于以上所称的燃烧器头部)有相当大的高度,其作用是使燃料与一次空气充分混合。各种酒精喷灯、煤油喷灯、汽油喷灯的喷管(即等同于以上所称的燃烧器头部)亦有相当大的高度,其作用是使酒精、煤油、汽油等液体燃料充分雾化。火炬的炬管也有相当大的高度。本发明螺旋卷片式预热体应用于这些本生灯、喷灯、火炬时,螺旋卷片部11的高度应取为稍小于本生灯的灯管、喷灯的喷管、或火炬的炬管的高度。螺旋卷片式预热体的直径则受限于燃烧器头部周围空间的大小。举例来说,在实验室用本生灯加热一个坩埚时,坩埚通常是支承在铁三脚架上的,本生灯的灯管是位于铁三脚架内,则螺旋卷片式预热体的直径应小于铁三脚架的直径。当使用者需要详细观察火焰燃烧状况时,可在螺旋卷片式预热体1的圆筒12壁面上增设观火孔。
本发明螺旋卷片式预热体的制作材料以紫铜箔片为最佳,亦可选用其它金属薄片如铝箔片。对崭新的金属箔片进行发黑处理后再用于制作本发明螺旋卷片式预热体可取得更好的使用效果。
图2中螺旋卷片部11的中部通孔的上边缘应该低于燃烧器头部最上端的原因是:火焰射流从燃烧器头部喷出时需要从燃烧器头部周围卷吸相当多的空气进入火焰内部。倘若螺旋卷片部11中部通孔的上边缘高于燃烧器头部最上端,空气流动可能被阻挡,造成火焰根部供氧不足。
实施例2
许多燃烧加热设备的燃烧器头部周围空间窄小,难以安装实施例1给出的螺旋卷片式预热体。这些燃烧加热设备中最为常见的是普通家庭厨房使用的燃气灶,其炉头只高出灶面约3cm,锅支架上支承的锅具底部离开炉头的距离约2至3cm,灶面、炉头与锅具底部之间的空间极为窄小。
针对这些难以安装螺旋卷片式预热体的加热设备,本发明提供另外一种利用火焰辐射预热助燃空气的平位放射翅片式预热体,如图5和6所示。平位放射翅片式预热体2包括圆筒22,该圆筒22的底部支承在灶面上,其顶部支撑圆底炒锅。在圆筒22底部边沿的筒壁上绕圆周方向均匀地开设有一系列的空气进口23,并在圆筒22顶部边沿的筒壁上绕圆周方向均匀地开设有一系列的排烟口24。在圆筒22内部布置有一系列的长型放射翅片211和短型放射翅片212。这些长型放射翅片211和短型放射翅片212以圆筒22的中轴线为中心呈放射状地、长型放射翅片211和短型放射翅片212相互交替且间隔均匀地排列(参见图6)。短型放射翅片212的长度约为长型放射翅片211的长度的二分之一。这些长型放射翅片211和短型放射翅片212离圆筒22中轴线的远端均固定安装在圆筒22内壁上。长型放射翅片211离圆筒22中轴线的近端处的的长型放射翅片211高度不高于燃气灶炉头高出灶面的高度。各个长型放射翅片211离圆筒22中轴线的近端共同构成一个中部通孔,该中部通孔的直径大于燃气灶炉头外径约1至4cm,该中部通孔的上边缘与燃气灶炉头平齐。本实施例中的放射状翅片基本上与燃气灶炉头平齐,因此称为平位放射翅片式预热体。
圆筒22用耐热材料制作,长型放射翅片211和短型放射翅片212(以下将这两种翅片合并简称为“放射状翅片”)用紫铜单零箔片制作。圆筒22内壁安装放射状翅片的方法可为焊接、铆接、用紧固件固定等方法,但优选使用以下方法:将市售成卷的铜箔片拉出、摊平后按照所需的放射状翅片的的数目和形状进行裁剪;在圆筒22的筒壁上加工与铜箔片厚度相适配的一系列竖向窄缝;再将各个裁剪好的放射状翅片的远端穿过圆筒22的筒壁上相应的竖向窄缝,然后将突出竖向窄缝的、在圆筒22筒壁外的铜箔片弯折一小段,最后在圆筒22筒壁外表面上包绕保温材料并扎紧。
使用时首先从灶面上取下燃气灶原来配备的锅支架,然后将平位放射翅片式预热体2的中部通孔对准燃气灶炉头,将放射翅片式预热体2安放在灶面上,然后将圆底炒锅安放在放射翅片式预热体2的圆筒22顶部的上边缘,如图5所示。安装完毕后点着燃气灶产生火焰,火焰及烟气通过对流和辐射传热来加热圆底炒锅。同时,放射状翅片表面吸收炉头火焰向水平方向和侧下方发出的热辐射。燃料燃烧所需的助燃空气(或部分的助燃空气)由空气进口23进入后流经放射状翅片之间的窄缝空隙时与放射状翅片表面直接接触而被预热后流入燃气灶炉头上方的燃烧区。已燃烟气由排烟口24排出。
本实施例的平位放射翅片式预热体2的放射状翅片紧靠炉头火焰,但低于火焰的位置,不与火焰相接触。这样布置的原因是:(1)即使燃气灶开大火档位,放射状翅片也不会被烧到,以免过热损坏;(2)需要避免放射状翅片与火焰直接接触产生“冷壁效应”(即低温表面对于燃烧反应混合物的淬冷作用引起不完全燃烧,导致烟气一氧化碳浓度超标)。图5和6中,每两片相邻的放射状翅片之间的空隙对于射入该空隙的火焰辐射呈现黑体效应(其原理与实施例1的图4相同),使得这些放射状翅片能够高效吸收火焰辐射来达到较高的温度。用于制作放射状翅片的紫铜箔片的耐热温度一般高达900℃。而且,从空气进口23进入的冷空气流经放射状翅片表面时对这些放射状翅片起到了冷却作用。因此本发明平位放射翅片式预热体2的放射状翅片能够承受炉头火焰高温,不会过热损坏。平位放射翅片式预热体2使用一段时间后,铜箔片表面颜色将逐渐变成暗红或黑色,这是由于在高温下铜箔片被空气氧化在其表面形成氧化亚铜表层。铜箔片表面变成暗红或黑色后其热辐射吸收率将增大,有利于取得更好的吸收火焰辐射来预热助燃空气的效果。
虽然本实施例平位放射翅片式预热体2的圆筒22的高度只有大约10cm,但其内部气体温度很高,仍然会产生如实施例1所述的烟囱效应,使热烟气由排烟口24排出,冷空气由空气进口23流入。由于火焰射流从燃气灶炉头火孔高速喷出时对于炉头周围气体产生的卷吸力致使炉头火孔周围成为低气压区(又称为负压区),因此由空气进口23流入的助燃空气在周围大气压与炉头负压之间压力差的驱动下将沿放射状翅片之间的空隙流到炉头周围的低气压区,然后被卷吸进入火焰射流中。
本实施例平位放射翅片式预热体2的所有放射状翅片的所有表面均为受热传热面,可吸收火焰辐射并将火焰辐射能转换所得的热能传递给与其直接接触的助燃空气。这些受热传热面的总面积大约为燃气灶额定功率时炉头火焰外表面积的30倍以上。
本实施例的平位放射翅片式预热体2与实施例1的螺旋卷片式预热体1的核心技术特征是相同的,就是:所述预热体具有吸收火焰辐射的一系列的受热传热面(图2中的螺旋卷片部11、图6中的长型放射翅片211和短型放射翅片212的表面),所述一系列的受热传热面中每两个相邻的受热传热面之间为助燃空气通道,所述预热体将火焰辐射能转换所得的热能传递给流经且直接接触所述受热传热面的助燃空气。具体来说,这些预热体由若干金属薄片构成,所述金属薄片的表面为受热传热面,所述若干金属薄片布置为这些金属薄片表面之间形成可作为助燃空气通道的窄缝空隙,并且这些窄缝空隙的开口位置和方向均朝向火焰,可以对火焰辐射产生黑体效应来高效吸收火焰辐射能,从而使流经这些窄缝空隙的助燃空气流得到预热。实施例1的螺旋卷片式预热体1的形式适合于燃烧器头部周围有较大空间的场合。而本实施例的平位放射翅片式预热体2则适合于家用燃气灶这样的燃烧器头部周围空间窄小的场合。本实施例的平位放射翅片式预热体2与实施例1的螺旋卷片式预热体1的具体形式不同,但工作原理、使用方法和有益效果基本相同。本实施例的放射状翅片紧靠火焰,图5中的放射状翅片受到火焰辐射加热达到的温度高于图2中螺旋卷片的温度。高温的放射状翅片本身发出的红外辐射对于锅底有额外的加热作用。
用圆底锅炒菜时使用本实施例平位放射翅片式预热体2可减少出现黄焰。现有技术的家用燃气灶在座上圆底锅开大火炒菜时只有火焰根部是蓝焰,火焰中部和尾部出现大面积黄焰。这是由于开大火时燃气燃烧需要较多的助燃空气,仅依靠空气的自然流动和扩散容易出现供氧不足。使用本实施例放射翅片式预热体2后许多的放射状翅片位于火焰的侧下方,紧靠火焰(参见图5)。这些放射状翅片本身重量很轻,热容量小,且其排列方式对火焰辐射呈现黑体效应。火焰辐射的近距离加热下,这些放射状翅片很快升温达到相当高的温度。在圆筒22烟囱效应引风力作用下由空气进口23进入的空气在流经放射状翅片之间空隙时被放射状翅片表面逐渐加热后会产生浮升力,然后这些经过预热的助燃空气的一部分在浮升力作用下向上流进燃烧区,其余部分流向燃气灶炉头周围低气压区后被卷吸进入火焰射流。可见,使用本实施例放射翅片式预热体2能够向燃气灶火焰提供更为充足的且经过预热的助燃空气,从而改善了火焰供氧状况、减少出现黄焰。
本实施例的进一步的改进是增设排烟调节机构。作为例子,以下给出适用于本实施例的排烟调节机构的三种不同形式:
(1)在圆筒22上边缘增设一段高度约为1.5cm的圆锥形收缩段,沿周向均匀分布的一系列排烟口24改为开设在该圆锥形收缩段上,该圆锥形收缩段外增设一个转筒,该转筒与圆锥形收缩段外壁面相匹配,该转筒上开设有与圆锥形收缩段排烟口24相对应的排烟口。使用时可以转动该转筒,当该转筒的排烟口与圆锥形收缩段排烟口24完全重合时,为排烟口全开;当该转筒的排烟口与圆锥形收缩段排烟口24完全不重合时,为排烟口全闭;转动该转筒可调节排烟量。
(2)圆筒22上边缘只开设三个较大直径的排烟口,每个排烟口连接一段排烟管,该排烟管上设有调节排烟量的阀门。
(3)在圆筒22上边缘排烟口外增设环形烟道,该环形烟道连接一段水平排烟管,该排烟管再连接一段垂直走向的排烟筒,该排烟筒上设有调节排烟量的阀门。
上述排烟调节机构的使用方法为:燃气灶开大火档位时排烟口全开,中火时开一半,小火时微开排烟口。在上述的基础上进行微调,就是慢慢减小排烟口的开度,同时观察燃气灶炉头火焰燃烧情况。只要火焰燃烧稳定,不出现明显黄焰,不出现倒烟,就可以继续减小排烟口的开度,以获得所需的的排烟量以及最适宜的由烟囱效应引入的助燃空气进气量。
上述排烟调节机构的主要作用是延长热烟气在锅底下方的停留时间和调节助燃空气进气量。目前家庭厨房烹饪时在燃气灶原配锅支架座上圆底炒锅炒菜时,圆底炒锅的锅底对于热烟气向上流动毫无阻挡作用,热烟气会沿着圆底炒锅的锅底向上迅速地漂流走,热烟气在锅底下方的停留时间很短,锅底下方只有较薄厚度的一层热烟气。利用本实施例的排烟调节机构可延长热烟气在锅底下方的停留时间。例如,燃气灶开微火档位,产生的烟气量为Q,排烟调节机构调至很小的开度。此时,由于排烟调节机构的局部阻力对热烟气的阻挡作用,圆筒22内部的燃气灶炉头火孔以上的空间将全部充满热烟气,这些热烟气在锅底下方的停留时间得到大幅度延长,锅底下方保持有较大厚度的热烟气量。同时,圆筒22内部热烟气的烟囱效应仍然可以克服排烟调节机构的局部阻力来产生排烟量Q并引入适量的助燃空气从而维持火焰的稳定燃烧。因为火焰及热烟气的辐射为体积辐射,圆底炒锅的锅底所接收的辐射加热强度与锅底下方的烟气量成正比,所以圆筒22内部充满的热烟气可显著增强对于锅底的加热效果。
在图6所示放射状翅片的基础上,每片放射状翅片加以一定程度的弯曲,使得原来笔直的放射状翅片成为每片有相同弧度的圆弧面形状,可取得更好的吸收火焰辐射、预热助燃空气的效果。
本实施例未提及的部分与实施例1类似,此处不再赘述。
实施例3
本实施例为一种用于平底锅的高位放射翅片式预热体。参见图7,高位放射翅片式预热体3包括圆筒32,该圆筒32的底部支承在灶面上,其顶部固定地或可拆卸地安装圆环板35。圆环板35的中部有与平底锅的外径相匹配的开孔,平底锅的两个锅耳支撑在圆环板35中部开孔边沿上。在圆筒32底部边沿的筒壁上绕圆周方向均匀地开设有一系列的空气进口33,并在圆筒32中部的筒壁上绕圆周方向均匀地开设有一系列的排烟口34。在圆筒32内部布置有一系列的长型放射翅片311和短型放射翅片312。这些放射状翅片的径向排列方式与实施例2相同(图7的A-A剖视图为图6)。在图7中仅示出长型放射翅片311。每片长型放射翅片311和短型放射翅片312的上端一直向上延伸至圆环板35下表面。就是说,圆筒32内部沿高度方向从灶面直至圆环板35下表面都有以圆筒32的中轴线为中心呈放射状地、长型放射翅片311和短型放射翅片312相互交替且间隔均匀地排列的放射状翅片。这些长型放射翅片311和短型放射翅片312离圆筒32中轴线的远端均固定安装在圆筒32内壁上。在灶面至燃气灶炉头高度的部位,长型放射翅片311离圆筒32中轴线的近端共同构成一个中部通孔,该中部通孔的直径大于燃气灶炉头外径约1至4cm,该中部通孔的上边缘与燃气灶炉头平齐。在燃气灶炉头以上2至3cm至圆环板35高度的部位,长型放射翅片311和短型放射翅片312的近端共同构成一个用于容纳平底锅的圆柱状空腔。圆筒32外表面和圆环板35上表面设有保温层。本实施例中放射状翅片大部分高于燃气灶炉头,因此称为高位放射翅片式预热体。
使用时将高位放射翅片式预热体3安放在灶面,将平底锅支承在圆环板35中部开孔边沿上。点燃燃气灶,热烟气由锅底下流出后向上流动时加热锅侧壁。当热烟气到达圆环板35下表面降温后流入放射状翅片之间的空隙,然后沿圆筒32内壁面向下流至排烟口34向外排出。以上流动过程中,热烟气加热了锅底和锅侧壁,并将部分烟气余热传递给放射状翅片。
本实施例中圆筒32烟囱效应的有效高度为排烟口34与空气进口33的高度差。虽然该高度差只有10cm左右,但其内部的火焰及热烟气的温度相当高,因此仍能产生较显著的烟囱效应。该烟囱效应的引风力使外界空气由圆筒32底部边沿周向均匀分布的空气进口33流入。然后这些助燃空气在炉头周围负压区的吸引下流向炉头时逐渐被放射状翅片表面加热。
在灶面至圆环板35的高度方向上,每片短型放射翅片312的最低温处为最下端的靠近空气进口33的部位,每片短型放射翅片312的高温处为排烟口34至圆环板35之间部位。因此,排烟口34至圆环板35之间的短型放射翅片312回收的烟气余热以热传导的方式向下传递至短型放射翅片312的最低温处,然后用以加热助燃空气。因此,本实施例的高位放射翅片式预热体3可以同时利用火焰辐射能和回收部分的烟气余热来预热助燃空气。
本实施例的高位放射翅片式预热体与实施例1的螺旋卷片式预热体和实施例2的平位放射翅片式预热体的工作原理、使用方法和有益效果基本相同。另外,本实施例的高位放射翅片式预热体还具有以下的有益效果:(1)避免了火焰辐射热损失和空气冷却热损失,并且降低了排烟热损失;(2)平底锅的侧壁成为受热面;(3)圆筒32内部大部分充满了热烟气,大幅度地延长了热烟气的停留时间,提高对于锅体的对流和辐射加热效果;(4)被火焰辐射和烟气余热加热达到高温的放射状翅片对于锅侧壁和锅底均有额外的红外加热作用;(5)可避免溢锅对燃气灶炉头的影响。
观察图7可以看出,在高位放射翅片式预热体上使用平底锅烹饪时只有唯一一项较为显著的热损失,就是排烟热损失,因此可取得较高的热效率。例如,燃气灶开微火时由排烟口34排出的烟气温度约为120℃,其排烟热损失约占燃料燃烧总放热量的10%,则热效率为90%。
为了增强烟囱效应及引风力,本实施例中排烟口34亦可以改为设置在圆环板35上并增设排烟调节机构(例如,在圆环板35边沿上沿圆周方向均匀地开设一系列向上方排烟的的排烟口,圆环板35上再放置一个同样开设有一系列排烟口的转盘。转动该转盘来改变圆环板35的排烟口与该转盘上的排烟口的相对位置可调节排烟量)。
另外,在可达到较大的烟囱效应引风力的设计条件下,在制作和安装本实施例高位放射翅片式预热体时与燃气灶炉头平齐的高度处的放射状翅片可进行部分弯折形成水平段,或者在放射状翅片侧面安装水平档片,这些水平段或者水平挡片用于减少与燃气灶炉头平齐的高度处每两片相邻的放射状翅片之间空隙的宽度,其作用是阻挡由空气进口33进入的冷空气垂直向上流动,使更多的助燃空气流向炉头周围低气压区。
与本实施例的图7类似,实施例2的图5所示的平位放射翅片式预热体2亦可以用于平底锅,使用方法为:拿走圆底炒锅,在圆筒22上边缘放置一个具有中部开孔的圆环板,将平底锅放入该圆环板的中部开孔,但需配合使用其它辅助的支锅器具来适应不同直径和高度的锅具。
本实施例未提及的部分与以上实施例类似,此处不再赘述。
实施例4
本发明在家用燃气灶上的一种较为简单的实施方式是仍然保留燃气灶原来配备的锅支架,只增加一个预热体。如图8所示,为本发明的一种圆锥叠套式预热体的示意图。参见图8,平底锅安放在燃气灶原来配备的锅支架上,在锅支架内部与燃气灶炉头之间的圆环状空间放置一个圆锥叠套式预热体4。该预热体的总高度为5cm(低于锅支架内部空间高度1cm),外径为24cm(等于锅支架内部空间的直径),中部通孔的直径为12cm(大于燃气灶炉头外径2cm)。圆锥叠套式预热体4由十个圆锥筒叠套成,每个圆锥筒用厚度为0.01mm的铜箔片制成,每个圆锥筒具有12cm直径的中部通孔,上一个圆锥筒与下一个圆锥筒之间的空隙为5mm。图8中锅支架内的虚线表示这些圆锥筒的筒壁(铜箔片),虚线与虚线之间的间隙为铜箔片之间的空隙。每两层铜箔片之间的圆锥台面形状的空隙为助燃空气通道。上一个圆锥筒与下一个圆锥筒之间的支承为上一个圆锥筒底部的垂直向下弯折的5mm高的圆环状铜箔片,这些垂直向下弯折的5mm高的圆环状铜箔片上绕圆周方向均匀地开设有空气进口。最底层的那个圆锥筒底部由垂直向下弯折的5mm高的圆环状铜箔片支承在灶面,其垂直向下弯折的5mm高的圆环状铜箔片上绕圆周方向也均匀地开设有空气进口,使得最底层的那个圆锥筒与灶面之间的空隙也是助燃空气流向燃气灶炉头的通道。
使用时点燃燃气灶火焰加热平底锅的同时,每两层铜箔片之间的空隙对火焰辐射呈现黑体效应(其原理与实施例1的图4相同),使圆锥叠套式预热体4受热升温,每两层铜箔片之间空隙以及最底层的铜箔片与灶面之间空隙内的空气随之受热升温,这些热空气产生浮升力且受到炉头周围负压的吸引因而向炉头方向流动进入火焰燃烧区。因此,本实施例可取得与实施例1至3相类似的利用火焰辐射预热助燃空气的效果。
为了达到较显著的预热助燃空气的效果,本实施例圆锥叠套式预热体4的叠套圆锥筒数目最少为5个,或者说,构成圆锥叠套式预热体4的铜箔片的层数最少为5层(宜使用极薄的铜箔片)。倘若在锅支架内只放置一个圆锥筒,则该圆锥筒的表面将反射大部分热辐射,虽然该表面也吸收部分火焰辐射并将热量传递给与该圆锥筒表面相接触的部分空气,但一个圆锥筒的表面所能形成的受热和传热面积极其有限,再加上自然对流的传热系数较小,因此在锅支架内部只放置一个圆锥筒时不会产生明显的预热助燃空气的效果。只有采用多层叠套铜箔片,利用每两层铜箔片之间空隙对火焰辐射产生黑体效应来高效吸收火焰辐射能,同时利用多层叠套铜箔片取得很大的受热和传热面积,才能获得显著的预热助燃空气的效果。
市售铜箔片的厚度低至0.01mm以下,重量轻,表面积大(相比较,普通A4纸的厚度为0.1mm)。铜箔片具有良好的耐热性、导热性、耐腐蚀性、可延展性、可加工性、可焊性、表面光滑性、韧性、且弯曲或弯折后能够保持弯曲或弯折的形状,施加外力后又可以恢复原状,而且铜箔片可承受较大程度的拉伸而不会断裂,因此铜箔片非常适合于用来制作本发明的预热体。
将一定长度的铜箔片以各种不同的方式进行折叠、卷曲、扭曲和/或者盘绕可以制成各种不同形式的预热体。以下再给出两个例子:
(1)将长度为754cm(由拟制作的预热体外径24cm乘以3.14再乘以10圈得到)、宽度为12cm(由预热体外径24cm减去中部通孔直径12cm得到)的铜箔片围绕一个外径为12cm的卷制用圆筒且保持铜箔片表面大致垂直于卷制用圆筒中轴线地连续盘绕十圈,使铜箔片围绕卷制用圆筒盘旋形成类似于钢丝弹簧那样的螺旋状,并且铜箔片的靠近卷制用圆筒的一侧稍高于另一侧;然后用其它工具调整每两片相邻的铜箔片之间的空隙均匀,上一片铜箔片与下一片铜箔片各处之间空隙(均为5mm)形成助燃空气通道;取下卷制用圆筒,所空出的圆柱状空间形成中部通孔。如此制得的预热体可称为螺旋绕片式预热体。其与实施例1的螺旋卷片式预热体的主要区别在于:螺旋卷片式预热体是位于燃烧器头部以下的位置,助燃空气是由预热体底部进入螺旋卷片之间的为垂直走向的助燃空气通道,然后向上沿轴向流向火焰燃烧区。螺旋绕片式预热体是位于与燃烧器头部大致平齐的位置,助燃空气是由预热体周围进入螺旋绕片之间的走向与水平方向有较小夹角的助燃空气通道,然后主要沿径向流向火焰燃烧区。
(2)将长度为600cm、宽度为12cm的铜箔片沿长度方向连续地、反复地折叠(沿长度方向每6cm做一次折叠),使其从侧面看时形成连续的WWW的形状,然后将已经折叠完毕的整条铜箔片的侧面紧靠一个外径为12cm的卷制用圆筒的圆环外壁面,将整条铜箔片头尾相接成为空心圆环体形状,绕圆周由侧面从水平方向看该预热体时铜箔片显现连续的WWW的形状,每两片相邻的折叠铜薄片之间空隙为助燃空气通道。取下卷制用圆筒,所空出的圆柱状空间形成中部通孔。如此制得的预热体可称为多层折叠式预热体。
上述螺旋绕片式预热体、多层折叠式预热体的使用方法、原理和效果与圆锥叠套式预热体大致相同。实施例2和3的放射状翅片可以由本实施例的圆锥叠套式预热体、螺旋绕片式预热体或者多层折叠式预热体所取代。就是说,图5中取消放射状翅片211和212,保留圆筒22,在圆筒22内部放入一个圆锥叠套式预热体、螺旋绕片式预热体或者多层折叠式预热体(其尺寸应与圆筒22内径相匹配),这些预热体吸收火焰辐射预热助燃空气的效果与放射状翅片大致相同。
以上实施例给出的各种结构形式的预热体属于同一个总的发明构思在不同场合下的具体形式。螺旋卷片式、平位放射翅片式、高位放射翅片式、圆锥叠套式、螺旋绕片式和多层折叠式预热体的每一种形式均是由若干金属薄片构成,相邻的金属薄片表面之间形成许多的窄缝空隙,这些窄缝空隙的开口位置和方向均朝向火焰使得火焰辐射可以射入窄缝空隙内部发生黑体效应,这些窄缝空隙同时又构成助燃空气通道。如此结构特征的预热体可以高效吸收火焰辐射能,且与助燃空气有很大的接触传热面积,并对供给火焰的助燃空气流仅构成很低的空气流动阻力。
以图8中锅支架内部放置0.01mm厚度的铜箔片制成的圆锥叠套式预热体4作为例子:首先,相邻的两层铜箔片之间空隙为助燃空气通道只带来很低的空气流动阻力因而不阻碍助燃空气从锅支架周围流向炉头,不会造成缺氧燃烧。其次,相邻的两层铜箔片之间空隙能够高效吸收火焰辐射且铜箔片导热性能良好因而能够整体地被火焰辐射能加热升温。然后,助燃空气能够流经且直接接触全部铜箔片表面来获得很大的传热面积。同时满足以上条件的预热体才能够取得显著的利用火焰辐射预热助燃空气的效果。
空气里的氧气和氮气本身不吸收任何热辐射,其对于火焰辐射是完全透明的。本发明提供了将图1所示用火加热物体基本方式中原先向外界散失的火焰辐射吸收转换为热能来预热助燃空气的一种简单有效的技术手段。
本实施例未提及的部分与以上实施例类似,此处不再赘述。
实施例5
在燃烧器头部周围有足够空间的情形下,本发明的实施应该尽可能增大吸收火焰辐射的受热传热面的总面积。图9为本发明的一种具有低位放射翅片式预热体的自然通风燃烧加热设备的结构示意图。参见图9,本实施例的低位放射翅片式预热体5包括圆鼓筒521和圆锥筒522。圆鼓筒521、圆锥筒522的中轴线与燃烧器的中轴线是重合的(以下简称为中轴线)。在圆锥筒522内部布置有一系列的长型放射翅片511和短型放射翅片512,这些长型放射翅片511和短型放射翅片512以中轴线为中心呈放射状地、长型放射翅片511和短型放射翅片512相互交替且间隔均匀地排列。这些放射状翅片离中轴线的远端上部固定在圆锥筒522内壁上。各个长型放射翅片511离中轴线的的近端共同构成一个中部通孔,该中部通孔与燃烧器头部外径相匹配。圆鼓筒521是一个由圆鼓状金属壁面围成的圆鼓状空筒,其圆鼓状金属壁面下部开设有一个排烟口,该排烟口经烟道连通排烟筒56,在烟道上还设置有阀门57。在圆鼓筒521和圆锥筒522外壁面包绕有保温材料。本实施例中放射状翅片低于燃烧器头部,因此称为低位放射翅片式预热体。
本实施例低位放射翅片式预热体5的圆鼓筒521、圆锥筒522及长型放射翅片511和短型放射翅片512最好为一体地铸造成型,使得这些部件相互之间具有良好的热传导性能。本实施例低位放射翅片式预热体5也可以采用焊接、铆接、用紧固件连接、组装等方法制作。
本实施例低位放射翅片式预热体5的基本工作原理类似于以上的实施例。例如,对比图2和图9可以看出,图2中的螺旋卷片部11及螺旋卷片对应于图9中的圆锥筒522及放射状翅片,图2的圆筒12对应于图9的圆鼓筒521,它们的基本作用相同。本实施例可达到与以上实施例相同的有益效果。另外,本实施例的低位放射翅片式预热体5的其它结构特征还带来了更多的有益效果:
(1)有更大的操作参数调节范围
本实施例增设的排烟筒56有利于产生更显著的烟囱效应,且该烟囱效应产生的排烟量和引风量可由阀门57调节,从而可方便地调整排烟量及助燃空气进气量来适应燃烧器开大火、中火、小火的不同工况。本实施例中阀门57的调整方法与实施例2中排烟调节机构的使用方法相同。
(2)可增强热烟气的对流和辐射传热的加热效果
本实施例的圆鼓筒521与排烟筒56和阀门57相配合可形成如图9中圆鼓筒521内的弯曲箭头线所示的已燃烟气的花瓣状循环流动(其烟气速度分布是以中轴线为中心的轴对称分布)。具体来说,在排烟筒56烟囱效应和阀门57的适当的开度能够提供合适的排烟量和阀门57处的合适的局部流动阻力时,燃烧器火焰射流的动能驱使中轴线附近的已燃烟气向上流动,然后已燃烟气沿着所加热物体的底部向上外方向流动。这些已燃烟气流近圆鼓筒521内壁面时再向下流动,然后部分已燃烟气流入排烟口,经排烟筒56向外排放。同时,大部分已燃烟气流入火焰根部的低气压区,并与火焰射流相混合向上流动,未进入火焰根部低气压区的已燃烟气在火焰射流动量传递的影响下也会向上流动。以上过程形成了图9所示的圆鼓筒521内部已燃烟气的以燃烧器中轴线为对称轴的花瓣状循环流动。因为被加热物体所接收的红外辐射加热强度与其下方的烟气量成正比,所以圆鼓筒521内的大量已燃烟气的循环流动可显著增强已燃烟气对于物体的加热效果,进一步提高热效率。
(3)可降低壁面温度和减少散热损失
圆鼓筒521壁面远离火焰,且其热量可向下传导给放射状翅片,因此壁面温度较低,可减少散热损失和降低对其制作材料的耐热性能的要求。
(4)放射状翅片具有更大的受热传热面积
本实施例由于排烟筒56提供了足够大的引风力,因此可以在圆锥筒522内部布置数目更多的、更大尺寸的放射状翅片,放射状翅片之间的空隙可以更窄,从而获得更大的受热传热面积。本实施例放射状翅片除了接受燃烧器火焰的辐射加热之外,更多的是接受圆鼓筒521内循环流动的大量已燃烟气发出的红外辐射的加热。
本实施例自然通风燃烧加热设备操作时阀门57开度的调节十分重要(调节方法参见实施例2中排烟调节机构的使用方法)。如果在燃烧器开小火档位时阀门57全开,则排烟筒56引风力可能导致过量的外界空气经过放射状翅片之间进入圆鼓筒521内,这些过量的空气会带走热量,降低热效率。因此必须适当地调节阀门57的开度。
本实施例采用圆鼓筒521最有利于产生已燃烟气的花瓣状循环流动。圆鼓筒521亦可以采用其它更加方便制作的形状如腰鼓状、圆筒状等。
适合应用本实施例低位放射翅片式预热体的典型场合是商用燃气或燃油灶具如酒店、餐馆、食堂常用的中餐炒菜灶、大锅灶、汤灶等。商用双炒双尾燃气炒菜灶的典型外形尺寸为:2500x1250x810mm。与其适配的低位放射翅片式预热体的尺寸为:圆鼓筒521口径400mm,高度270mm,二分之一高度处的直径为600mm;圆锥筒522上端直径400mm,下端直径800mm,高度270mm。
本发明选择将圆鼓筒521和圆锥筒522及放射状翅片看作为一个低位放射翅片式预热体5的原因是圆鼓筒521的热量可传递给放射状翅片并用于预热助燃空气。显然,圆鼓筒521的其它作用之一是构成燃烧室壁(或炉壁、灶壁)。本发明亦可以选择将圆鼓筒521看作为燃烧室壁,将圆锥筒522及放射状翅片看作为一个低位放射翅片式预热体。其它实施例的预热体也类似地包括用于形成吸收火焰辐射能并预热助燃空气的受热传热面的构件,还可以包括用于固定这些构件的辅助部件以及起到支承、定位、挡风、限流、隔热、引流、导流、导热等作用的其它辅助部件。
本实施例未提及的部分与以上实施例类似,此处不再赘述。
实施例6
以上实施例1至5中助燃空气的供给主要是依靠自然通风,因此实施例1至5要求所采用的预热体形式必须有相当低的空气流动阻力。但商用燃烧加热设备中相当部分为强制通风供给助燃空气,工业燃烧加热设备则一般采用强制通风。应用于强制通风供给助燃空气的燃烧设备时,本发明预热体可以采用有较大压力降的结构形式。如图10所示,为本发明的一种具有多孔透气式预热体的强制通风燃烧加热设备的结构示意图。参见图10,多孔透气式预热体6具有圆鼓筒62和位于圆鼓筒62内侧的、与圆鼓筒62的形状相适应的多孔透气体61,圆鼓筒62与多孔透气体61之间形成中空夹层A。圆鼓筒62壁面沿切向开设有空气进口。助燃空气(或部分的助燃空气)用风机68加压后通过圆鼓筒62壁面的空气进口流入中空夹层A,然后这些助燃空气流过多孔透气体61被预热后进入燃烧区。圆鼓筒62底部安装燃烧器,燃烧器周围有环形排烟口64。圆鼓筒62可采用金属或非金属材料制作,其外表面可以有或者没有保温层。风机68的抽取外界空气的进气口安装有高效除尘过滤器。
多孔透气体61的首要作用是吸收火焰辐射能并将火焰辐射能转换所得的热能传递给透过该多孔透气体进入燃烧区的助燃空气。多孔透气体61应同时满足下列条件:第一,具有较大的与助燃空气接触的面积,其内表面积远大于外表面积,使得助燃空气流经多孔透气体61的内表面积时被显著地加热升温;第二,具有较高的火焰辐射吸收率;第三,具有良好的耐热性能;第四,具有良好的导热性能;第五,具有适当的空气流动阻力,使得由风机68通入的助燃空气首先充满圆鼓筒62与多孔透气体61之间的中空夹层A,然后才均匀地流经多孔透气体61的所有透气孔进入燃烧区。作为例子,以下给出制作多孔透气体61的四种方法。按照具体条件可采用这四种方法之一或其它适当的方法来制作多孔透气体61:
(1)多孔金属体:选用金属材料用铸造法获得所需的圆鼓形状的金属厚壁,然后在垂直于金属厚壁表面的方向上密集地、均匀地钻孔穿透金属厚壁。当用于小型设备如商用中餐炒菜灶时,金属厚壁的壁厚为20至30mm,透气孔直径1mm,表面开孔率70%,体积空隙率70%;当用于大中型设备如工业炉,金属厚壁的壁厚为100至150mm,透气孔直径5mm,表面开孔率70%,体积空隙率70%。由于上述多孔金属体有较高的表面开孔率,且透气孔的深度/孔径比达到20至30,对于射入这些透气孔的火焰辐射可产生黑体效应(其原理与实施例1的图4相同),因此上述多孔金属体具有较高的火焰辐射吸收率。多孔金属体内透气孔的内表面为吸收火焰辐射并将火焰辐射能转换所得的热能传递给流经这些透气孔进入燃烧区的助燃空气的受热传热面。本发明将多孔金属体每个透气孔的一半侧壁看作一个受热传热面,另一半侧壁也看作一个受热传热面,这两个相邻的受热传热面之间形成助燃空气通道。当助燃空气通过这些透气孔流入燃烧区时,这些透气孔提供了相当大的接触和传热面积以及适当的流动阻力。
(2)金属纤维体:选用市售金属纤维毯成品(厚度5mm,平均孔径0.1mm,体积空隙率85%),在其内外侧均安装圆鼓筒形状的金属护网。金属纤维毯是用金属纤维丝制成的,具有三维空间网格的微观结构,其微孔对于火焰辐射有较高的吸收率,且有较大的内表面积、较佳的耐热和导热性能以及适当的流动阻力。金属纤维体的内表面积可作为吸收火焰辐射并将火焰辐射能转换所得的热能传递给流经微孔进入燃烧区的助燃空气的受热传热面。
(3)泡沫陶瓷体:选用市售泡沫陶瓷板成品(每块长度100mm,宽度100mm,厚度8mm,孔径分布为10至100nm,体积空隙率90%)。使用许多块的泡沫陶瓷板拼接成图10所示形状的多孔透气体61。泡沫陶瓷板的微孔对于火焰辐射有较高的吸收率,且有较大的内表面积、较佳的耐热性能以及适当的流动阻力。泡沫陶瓷板的内表面积可作为吸收火焰辐射并将火焰辐射能转换所得的热能传递给流经微孔进入燃烧区的助燃空气的受热传热面。
(4)蜂窝陶瓷体:当用于中大型燃烧设备时,多孔透气式预热体61可由许多的蜂窝陶瓷体堆砌成。市售蜂窝陶瓷体的常见规格如:单个蜂窝陶瓷体的外形尺寸50x50x200mm,蜂窝通道呈直线,蜂窝壁厚为0.2至0.5mm,单元间距为1至3mm,蜂窝通道的深度/口径比为70至200。来自于燃烧区的火焰辐射射入这些蜂窝通道在其内表面被多次反射/吸收从而发生黑体效应,因此上述蜂窝陶瓷体具有较高的火焰辐射吸收率。蜂窝陶瓷体内蜂窝通道的内表面为吸收火焰辐射并将火焰辐射能转换所得的热能传递给流经这些蜂窝通道进入燃烧区的助燃空气的受热传热面。
图10所示装置使用时点着燃烧器,燃料与空气发生燃烧反应。多孔透气体61吸收火焰辐射并预热那些透过多孔透气体61进入燃烧区的助燃空气。主要在燃烧器火焰射流动能的驱动下,烟气产生如图10中弯曲箭头线所示的花瓣状循环流动。部分烟气经环形排烟口64向下流动,烟气余热用于预热燃料(或使液体燃料蒸发),降温后的烟气向外排出。
本实施例的圆鼓筒62和多孔透气体61共同构成了该强制通风燃烧加热设备的燃烧室壁(或炉膛壁、灶膛壁)。本实施例同样可取得实施例1列出的四点有益效果以及实施例5列出的第1至3点有益效果。另外,与现有技术相比较本实施例还有以下的突出优点:
(1)燃烧室壁不需使用耐火材料,尤其适合于热负荷急剧变化的场合。
现有燃烧设备(如工业炉、商用燃气灶)的燃烧室壁(或炉膛壁、灶膛壁)通常采用耐火材料。在热负荷快速变化的情况下,耐火材料壁面承受较大热应力使其容易产生裂纹。使用一段时间后耐火材料破碎、剥落,经常需要修补或更换。其中一个典型例子是商用中餐炒菜灶,其燃烧器功率可达60kW。由于火力强劲,商用中餐炒菜灶点火炒菜时灶膛急剧升温,炒菜完毕后灶膛冷却降温,如此反复加热和冷却造成商用中餐炒菜灶耐火材料灶壁的使用寿命较短,一般使用一至两年时间就需要更换。类似地,许多类型的工业炉操作温度有较大变化,容易损坏耐火材料炉壁,时常需要停炉进行耐火材料的人工维护,费工费时。
本实施例圆鼓筒62和多孔透气体61共同构成的燃烧室壁可以替代耐火材料制造的燃烧室壁。首先,本实施例多孔透气体61的表面开孔率高达70%以上,且透气孔有较大的深度,多孔透气体61的内表面积远大于外表面积,来自于燃烧区的火焰辐射可以经透气孔射入多孔透气体61内部发生黑体效应使得整个多孔透气体61内部得到均匀加热,而不仅仅是面向燃烧区的表面被加热。其次,本实施例多孔透气体61远离燃烧器火焰,且其弯曲形状提供了相当大的热胀冷缩的余地,能够降低从常温至火焰温度的剧烈温度变化产生的热应力。再次,本实施例多孔透气体61采用的金属、金属纤维、泡沫陶瓷或蜂窝陶瓷材料本身可以承受反复加热和冷却产生的较大热应力而不容易破裂。最后,由风机68通入的助燃空气对多孔透气体61有良好的冷却作用。上述因素使得本实施例多孔透气体61用于燃烧室壁时有很长的使用寿命;而且多孔透气体61的体积空隙率达到70%以上,较为轻便,尤其适合于在周期性或间歇操作过程中热负荷有较大变化的燃烧加热设备如热处理炉、熔化炉、焙烧炉、干燥炉和各种炉灶。
(2)燃烧室外壁面接近常温,散热损失极低。
现有燃烧设备的燃烧室壁面温度较高,散热损失较大。本实施例中由于多孔透气体61的内表面积远大于外表面积,由风机68通入的冷空气与多孔透气体61面向中空夹层A的侧面接触时升温幅度不大,中空夹层A充满了由风机68通入的冷空气,因此圆鼓筒62面向中空夹层A的侧面接受的对流传热量不大。而且多孔透气体61面向中空夹层A的侧面温度较低且能够透过多孔透气体61的火焰及烟气辐射量有限,只有少量的火焰及烟气辐射能够穿过透气孔(而不碰到透气孔侧壁)最终到达圆鼓筒62面向中空夹层A的侧面,因此圆鼓筒62面向中空夹层A的侧面接受的辐射传热量也不大。作为燃烧室外壁面的圆鼓筒62外表面的温度只是稍高于常温,即使不使用保温材料其表面散热损失也很低。
(3)可降低燃烧室壁的蓄热损失。
以现有技术典型工业炉为例,其耐火材料炉壁厚度一般为数百毫米,保温层厚度也有数百毫米,耐火材料炉壁吸收火焰辐射被加热升温所引起的蓄热损失较大。本实施例多孔透气体61的体积空隙率在70%以上,重量轻,且其内部由助燃空气流过,多孔透气体61的温度较低,吸热量较小,因此可降低蓄热损失。
(4)可增强对物体的加热效果。
已有技术试图利用燃烧室壁的红外辐射增强对物体的加热效果,但耐火材料壁面难以处理成具有高红外发射率的表面性质。本实施例多孔透气体61面向燃烧区一侧容易处理成具有高红外发射率的避免性质。
图10所示燃烧设备可为扩散式或者部分预混式燃烧方式。例如,采用扩散式燃烧方式时,流体燃料(如燃气或者燃油)由燃烧器送入燃烧区,其完全燃烧所需的全部空气由风机68经过多孔透气体61送入燃烧区。采用部分预混式燃烧方式时,流体燃料与一次空气的混合物由燃烧器送入燃烧区,其完全燃烧所需的二次空气由风机68经过多孔透气体61送入燃烧区。
另外,将多孔透气体61的透气孔按一定方向排列,还可以在燃烧区产生气体旋流、回流或者增强图10所示花瓣状循环流动的效果。将圆鼓筒62与多孔透气体61之间的中空夹层A分隔为若干部分,每一部分设置单独的空气进口,可以使助燃空气更加均匀地经多孔透气体61流入燃烧区。圆鼓筒62亦可以改为采用其它形状如腰鼓状、圆筒状等。本实施例亦可以增设一个换热器,用于回收烟气预热将助燃空气加热至数百度的温度后再通入圆鼓筒62与多孔透气体61之间的中空夹层A。
本实施例多孔透气体61的内表面为吸收火焰辐射并将火焰辐射能转换所得的热能传递给与其直接接触的助燃空气的受热传热面。多孔透气体61内部的透气孔(助燃空气通道)是由这些受热传热面所围成的。本实施例和以上实施例1至5为同一个总的发明构思在不同场合下的具体形式。本实施例的多孔透气体61适合在强制通风供氧燃烧的场合下使用,而实施例1至5给出的各种预热体形式适合在自然通风供氧燃烧的场合下使用(同时亦可以在强制通风供氧燃烧的场合下使用,例如,放射翅片式预热体或圆锥叠套式预热体可以替换图10中的多孔透气体61)。
本实施例未提及的部分与以上实施例类似,此处不再赘述。
实施例7
本实施例涉及弥散燃烧加热设备。如图11所示,为本发明的一种具有旋涡翅片式预热体的强制通风燃烧加热设备的结构示意图。参见图11,旋涡翅片式预热体7包括内圆筒721和外圆筒722,所述内圆筒721和外圆筒722之间形成中空夹层B。外圆筒722的顶部和底部分别由圆顶板751和圆底板752封闭。内圆筒721固定安装在圆顶板751下表面,内圆筒721的下端与圆底板752之间有间隙。内圆筒721内部的下半部设有以内圆筒721中轴线为中心的轴对称分布的、用厚度为0.5mm以上的金属薄片制作的旋涡状翅片71。外圆筒722上端壁面沿切向开设有空气进口,内圆筒721约四分之三高度的壁面处沿切向开设有燃料进口,圆顶板751上设有排烟口。被加热的物体位于圆顶板751中部。78为鼓风机。79为利用烟气余热加热助燃空气的换热器。内圆筒721和旋涡状翅片71用耐热金属材料制作。外圆筒722、圆顶板751和圆底板752可用耐热金属材料或非金属耐火材料制作。外圆筒722、圆顶板751和圆底板752的外壁面有保温材料。
使用时在点火之后的稳定燃烧状态下,外界空气用鼓风机78通入换热器79回收烟气余热后达到约700℃的空气温度。这些700℃温度的空气然后由外圆筒722壁面的空气进口沿切向高速喷入,在内圆筒721和外圆筒722之间的中空夹层B内形成旋流,与内圆筒721外壁面产生强烈的对流换热因而被较高温度的内圆筒721壁面所加热达到约850℃的空气温度。这些850℃温度的空气经内圆筒721的下端与圆底板752之间的间隙进入旋涡状翅片71之间的空隙,然后在旋涡状翅片71的引导下以旋流的形式进入旋涡状翅片71上方的燃烧区。每两片相邻的旋涡状翅片之间的空隙对于射入该空隙的火焰辐射呈现黑体效应(其原理与实施例1的图4相同),使得这些旋涡状翅片71能够高效吸收其上方的燃烧区发出的热辐射因而达到相当高的温度。前述的已被内圆筒721壁面加热达到约850℃温度的空气在流经旋涡状翅片71时被进一步加热达到约1000℃的温度。
燃料由内圆筒721壁面的燃料进口沿切向高速喷入,在内圆筒721内部形成旋流。上述的内圆筒721和外圆筒722之间中空夹层B处的空气旋流、旋涡状翅片71处产生的空气旋流与内圆筒721内的燃料旋流(或其燃烧反应混合物的旋流)的旋转方向是相同的(以上三处的旋流同时为顺时针方向或逆时针方向)。在1000℃温度的助燃空气由旋涡状翅片71之间的空隙以旋流的形式进入燃烧区以及燃料射流同时也以高速旋流的形式进入燃烧区且燃料与助燃空气供给量大致符合当量比的条件下,内圆筒721内部燃烧区发生弥散燃烧(又称高温低氧燃烧)。在弥散燃烧状态下,内圆筒721内部燃烧区各处均为正在发生氧化反应的燃料(及其热解产物)和空气与燃烧产物的混合物,各处的温度和成分较为均匀(温度约1200℃,燃料浓度约1%,氧气浓度约5%,其余为燃烧产物),各处均达到燃料发生氧化反应所需的温度条件,但各处只可能出现1%浓度的燃料与5%浓度的氧气相遇的反应物浓度条件,因而只可能发生温和的、占据内圆筒721内大部分容积的弥散燃烧。不会出现燃料与氧气浓度为21%的空气之间在极短时间和极小空间内发生的剧烈氧化反应(即传统的火焰)。
以下对比图11与图1来说明弥散燃烧与传统的扩散式、预混式或大气式火焰的区别。扩散式火焰时,图1中的燃烧器喷出的燃料与周围的氧气浓度为21%的空气相遇发生链式反应,瞬间产生强烈的光和热,形成图1所示的圆锥形火焰。预混式火焰和大气式火焰的情况类似。在图11中,燃料旋流和空气旋流使得内圆筒721内部的燃料、空气和燃烧产物充分混合。从燃料进口喷入的燃料不可能与氧气浓度为21%的空气相遇,不会发生链式反应,不会出现传统的圆锥形火焰。从旋涡状翅片71之间的空隙喷入的1000℃温度的助燃空气是与内圆筒721内的混合物(其中只含有1%的燃料浓度)相遇使得其原先为21%的氧气浓度被充分地稀释至约5%的氧气浓度(当1000℃温度的氧气浓度为21%的助燃空气从旋涡状翅片71之间的空隙喷入燃烧区、与含有1%燃料浓度的混合物相遇时已经达到发生氧化反应的条件,使得这些1%的燃料很快地氧化消耗掉,但不会产生急剧的温升)。此时,在内圆筒721内部各处同时发生温和的、取决于燃料分子及其热解产物分子与氧气分子碰撞概率的氧化反应从而形成弥散燃烧。
与传统燃烧方式相比较,本实施例这种弥散燃烧的主要优点为:
(1)只需要供给符合当量比的助燃空气就能达到完全燃烧,排烟中基本不含剩余氧,因而降低了烟气量,避免了排烟中的剩余氧及相应的氮气携带走热量所造成的排烟热损失。相比较,传统燃烧方式需要通入大量助燃空气(过量空气系数常达1.5以上)才能达到完全燃烧,排烟中剩余氧浓度高达15%,烟气量及排烟热损失相当大。
(2)加热效果好,因为被加热物体周围为强烈旋流,对流传热系数大,且内圆筒721内部在旋涡状翅片71以上全部为均匀发光的弥散燃烧区,对被加热物体的辐射加热强度大。
(3)可调节范围大,没有传统火焰的回火、脱火等方面的限制性因素,在低功率工况和高功率工况下都能够稳定运行,且低热值燃料也能稳定燃烧。
(4)排烟中一氧化碳含量低,因为内圆筒721内部在旋涡状翅片71以上全部为燃烧区,燃料(及其热解产物)和空气与燃烧产物的混合物在燃烧区的停留时间很长,在足够高的温度区域有足够长的反应时间达到完全氧化。
(5)排烟中氮氧化物含量低,因为弥散燃烧中不存在剧烈链式氧化反应产生的局部高温区,最高温度处只有1200℃,未达到激发助燃空气中的氮气分子参与反应的条件。
(6)没有黄焰。传统火焰出现黄焰是由于剧烈链式氧化反应形成了局部高温缺氧区而导致部分燃料裂解产生碳微粒(PM2.5)。弥散燃烧时最高温度不超过1200℃,未达到燃料裂解产生碳微粒的条件。
(7)可降低制作材料的耐热性能要求,因为内圆筒721内部温度均匀,没有局部高温,且内圆筒721下部与旋涡状翅片相接使其热量可传导给旋涡状翅片,内圆筒721外壁面有空气旋流,散热条件较好,因此可降低制作材料的耐热性能要求。相比较,传统的燃烧加热设备在燃烧室窄小空间内产生强烈发光和放热的火焰,产生局部高温,燃烧室壁面受到火焰辐射持续加热且难以散热,对设备制作材料的耐热性能要求较高。
本实施例弥散燃烧加热设备的点火程序说明如下:在冷态起动的情况下,将少量的燃料由燃料进口连续地、低速地喷入,用鼓风机78向空气进口通入助燃空气,用点火器在燃料进口附近点火,形成传统的扩散式火焰;逐渐增大燃料和助燃空气供给量,火焰体积随之增大。保持一段时间,利用该扩散式火焰使全套设备逐渐升温;当从旋涡状翅片71之间的空隙喷出的助燃空气温度达到该种燃料在空气中的燃点温度时进入弥散燃烧状态,高速喷入燃料和助燃空气形成旋流,控制助燃空气供给量(过量空气系数约为1)。
本实施例弥散燃烧加热设备的关键点之一在于从旋涡状翅片71之间的空隙喷入燃烧区的助燃空气必须具有足够高的温度(一般需要达到800至1000℃以上,取决于燃料种类)。从旋涡状翅片71之间空隙喷入燃烧区的助燃空气温度低于该种燃料的燃点温度时则达不到着火条件,造成不完全燃烧。本实施例弥散燃烧加热设备的创新点主要在于助燃空气的预热方式包括三个阶段:
(1)间壁加热阶段:用换热器79回收烟气余热将助燃空气加热达到约700℃。换热器79可采用常规间壁换热器(图11中示出的是具有辐射传热段和对流传热段的间壁换热器)。由圆顶板751上的排烟口排出的烟气温度约为1200℃。换热器79的烟气侧与空气侧的传热温差达500至200℃。该传热温差相当大,使得换热器79只需设置较小的传热面积。
(2)高速旋流阶段:空气由外圆筒722壁面的空气进口沿切向高速喷入后在中空夹层B内形成旋流,与内圆筒721外壁面产生强烈的对流换热。在内圆筒721内壁面,燃烧反应混合物旋流也与内圆筒721内壁面发生强烈的对流换热,且内圆筒721内壁面还受到大体积的弥散燃烧区的辐射加热。因此,高速旋流阶段的换热条件相当好。虽然换热面积不大(能用于高速旋流换热的仅限于内圆筒721外壁面积)、换热时间短暂,本阶段可将进口温度为700℃的助燃空气加热达到约850℃的出口温度。
(3)辐射加热阶段:旋涡状翅片71之间的空隙对于射入该空隙的来自于燃烧区的热辐射呈现黑体效应,因此旋涡状翅片71能够高效吸收弥散燃烧区发出的热辐射从而达到相当高的温度。而且该预热体的结构形式在有限的体积内安排了相当大的与助燃空气直接接触的受热传热面积。因此在本阶段能够利用弥散燃烧区辐射能将进口温度为850℃的助燃空气加热达到1000℃以上的出口温度。
上述的间壁加热-高速旋流-辐射加热三阶段的助燃空气预热方式能够将助燃空气预热至很高的温度,在燃烧设备内达到弥散燃烧状态,而且是连续运行的、稳态的、高效的、简单的和廉价的。相比较,现有技术只使用一个常规的间壁换热器难以将助燃空气预热达到800℃以上的温度,因为很高温度的助燃空气与烟气之间的传热温差太小,间壁换热器的换热效率并不高,只使用一个常规间壁换热器需要十分巨大的换热器面积才能将助燃空气预热达到1000℃以上的温度。现有技术的高温低氧燃烧设备是依靠蓄热式换热器来预热助燃空气达到1000℃以上的高温,需要配置双数数目的燃烧器和蓄热式换热器,并频繁地往蓄热式换热器轮流通入热烟气和助燃空气,与此同时燃烧器轮流进行点火和熄火(燃烧器和蓄热式换热器的切换周期均为一分钟以内),为非稳态的间断燃烧操作,容易出现压力波动、爆燃、脱火、回火、点火失败等安全隐患,且其切换机构和控制系统相当复杂和昂贵。本实施例使用间壁加热-高速旋流-辐射加热三阶段预热助燃空气的弥散燃烧设备为连续燃烧操作,与现有的蓄热式高温低氧燃烧技术相比较有着巨大的优越性。本发明的连续弥散式燃烧装置点火后可连续燃烧,燃烧室内压力波动小;燃料与助燃空气的进口处于不同位置,因此不会发生回火;爆燃和脱火的可能性也大为降低。
本实施例旋涡状翅片具体形状可采用任何能使气流产生旋流的形式。现有技术常用与气流方向有一定夹角的导流叶片使气流产生旋流(导流叶片的数目一般不需太多)。本实施例旋涡状翅片与现有技术导流叶片的区别在于:本实施例旋涡状翅片应该十分紧密地排列使相邻的旋涡状翅片之间形成窄缝空隙,且旋涡状翅片应有较大深度使窄缝空隙的深度/开口宽度比达到20至30,旋涡状翅片的数目应比较多来获得足够大的受热传热面的总面积,这样才能达到吸收火焰辐射并预热助燃空气的目的。
本实施例旋涡翅片式预热体与以上实施例的各种结构形式的预热体为同一个总的发明构思在不同情况下的具体形式。本实施例为强制通风供氧,不要求预热体有很低的空气流动阻力。除了旋涡状翅片之外,本实施例亦可以采用其它实施例给出的的预热体结构形式如多孔透气体。例如,实施例6的图10所示装置中,将多孔透气体61的透气孔按一定方向排列使燃烧区产生气体旋流效果,并且多孔透气体61足以将助燃空气预热至1000℃时,在该装置内部可发生弥散燃烧。
本实施例既可以应用于小型燃烧设备如商用鼓风式燃气或燃油灶具、辐射管加热器等,亦可以应用于大中型燃烧设备如各种工业炉。
本实施例未提及的部分与以上实施例类似,此处不再赘述。
实施例8
现行工业炉设计规范主要包括三个部分的内容:燃烧器、炉体和余热回收换热器。燃烧器主要有预混式和扩散式燃烧器等,用于将燃料和空气送入燃烧区并达到稳定燃烧,其有待克服的一些问题例如有:需要比较多的过量空气才能达到完全燃烧、火焰区域温度很高、氮氧化物生成量较大。炉体用于构成燃烧室,其有待克服的一些问题例如有:耐火材料炉壁和保温层的蓄热损失和外表面散热损失较大,某些情况下耐火材料经常需要修补。余热回收换热器用于回收烟气余热,其有待克服的一些问题例如有:换热面积有限,烟气余热回收率不高,时常受工业炉使用场地条件的限制余热回收换热器的安装位置离工业炉较远,高温烟气管道和高温空气管道过长,散热损失大。
为了有利于克服上述问题,本实施例将工业炉的燃烧器、炉体和余热回收换热器合并为一个整体。如图12所示,为本发明的一种具有换热列管式预热体的强制通风燃烧加热设备的结构示意图。参见图12,换热列管式预热体8包括换热列管81、第一圆筒821、第二圆筒822、第三圆筒823、第四圆筒824、圆顶板851和圆底板852。第三圆筒823和第四圆筒824的顶部和底部分别由圆顶板851和圆底板852封闭。第三圆筒823和第四圆筒824之间形成中空夹层C。第一圆筒821固定安装在圆顶板851下表面,第一圆筒821的下端与圆底板852之间有间隙。第二圆筒822固定安装在圆底板852上表面,第二圆筒822的上端与圆顶板851之间有间隙。换热列管81穿过第一圆筒821和第二圆筒822,换热列管81连通燃烧区和中空夹层C,换热列管81是绕圆周方向均匀地布置在第三圆筒823以内的并与第三圆筒823径向形成一定的夹角。来自外界的助燃空气用风机88加压后通入中空夹层C,然后经换热列管81喷入燃烧区并在燃烧区产生旋流。在圆底板852中部开设的燃料进口用于将燃料以高速旋流的方式喷入燃烧区。已燃烟气经过第一圆筒821下端与圆底板852之间的间隙流入第一圆筒821与第二圆筒822之间,然后向上流动,再经过第二圆筒822上端与圆顶板851之间的间隙流入第二圆筒822与第三圆筒823之间,然后向下流动,降温后的烟气由圆底板852上开设的排烟口向外排出。
助燃空气的预热包括间壁加热阶段和辐射加热阶段。间壁加热阶段为:换热列管81内的助燃空气从中空夹层C流动至第一圆筒821部位的过程中换热列管81管内的助燃空气被管外的热烟气所加热。辐射加热阶段为:换热列管81内的助燃空气从第一圆筒821部位流动至喷射进入燃烧区的管口部位的过程中换热列管81管内的助燃空气被火焰及烟气辐射加热升温。由于换热列管81的管口是朝向燃烧区的,火焰及烟气辐射可由管口射入换热列管81内部发生黑体效应(其原理与实施例1的图4相同),因此换热列管81内表面为吸收火焰辐射并将火焰辐射能转换所得的热能传递给换热列管81内的助燃空气的受热传热面。位于第一圆筒821以内的换热列管81所有管段外表面之间对于射入换热列管81所有管段外表面之间的火焰及烟气辐射也能发生黑体效应,因此这些换热列管81管段外表面也吸收火焰及烟气辐射能,并且这些换热列管81管段外表面还受到热烟气对流加热,然后以间壁传热方式加热管内的助燃空气。
如上所述,换热列管81管内助燃空气在间壁加热阶段受到烟气的对流加热,在辐射加热阶段同时受到射入管内的火焰及烟气辐射加热、射至管外表面的火焰及烟气辐射加热以及管外表面的烟气对流加热。由换热列管81管口喷入燃烧区的助燃空气温度容易达到燃料燃点温度,在燃烧区发生弥散燃烧。当换热列管81管口喷出的助燃空气温度仍低于燃料燃点温度时在燃烧区产生传统的扩散式或部分预混式火焰。
本实施例可以取得实施例1、5、6、7所列出的有益效果。本实施例的其它优点是:
(1)将燃烧器、炉体和余热回收换热器集成为一个设备。换热列管式预热体8向燃烧区提供经预热达到高温的助燃空气,并使这些助燃空气与燃料充分混合后稳定燃烧,部分地起到了燃烧器的作用;换热列管式预热体8还构成了燃烧室,起到了炉体的作用;同时换热列管式预热体8利用烟气余热加热助燃空气,起到了余热回收换热器的作用。本实施例在同一个设备达到了燃烧器、炉体和余热回收换热器的功能,结构紧凑,大为降低设备外表面散热面积,尤其是省略了现有技术炉体和余热回收换热器之间的高温烟气管道和高温空气管道,进一步降低了热损失。
(2)换热列管81内的流动空气对换热列管81具有冷却作用。第一圆筒821的热量也可以传导至换热列管81。因此,对换热列管81和第一圆筒821的制作材料的耐热性能要求不高。
(3)第一圆筒821的内侧面及其第一圆筒821以内的换热列管81外表面的红外辐射可增强对物体的加热效果。
第一圆筒851和第三圆筒853之间的换热列管与第一圆筒851、第三圆筒853、圆顶板851和圆底板852相当于共同构成了现有技术的间壁换热器。因此,为了增强热烟气向助燃空气的对流传热效果,可采用现有技术间壁换热器的各种技术手段。例如:为了增强热烟气向助燃空气的对流传热效果,可在换热列管81外表面增设传热翅片,在第一圆筒821与第三圆筒823之间增设更多的圆筒或螺旋状隔板从而分隔为更多的热烟气通道。由于本实施例是在圆柱状空间内沿径向布置换热列管这一特殊性,还可以在第一圆筒821与第三圆筒823之间设置换热列管81的若干支管,若干支管合并后通入燃烧区;将第一圆筒851和第三圆筒853之间的换热列管设置为盘管的形式。另外,可以将第一圆筒821以内的换热列管81管段按一定规律进行转折、弯曲或盘绕从而改变助燃空气的喷射方向,有利于在燃烧区产生各种不同的气流效果,并且可以延长第一圆筒821以内的换热列管81管段的长度,有助于提高助燃空气的预热温度。另一方面,在圆底板852上增设更多数目的燃料进口来高速喷入燃料,可增强燃烧区内气体旋流,有利于已燃烟气的回流和大体积弥散燃烧区的形成。此外,换热列管81的将助燃空气喷入燃烧区的喷口可以再安装一个文丘里引射器,利用助燃空气引射烟气使助燃空气与烟气在文丘里引射器内充分混合来达到高温低氧状态。
本发明将换热列管81每根管内的一半侧壁看作一个受热传热面,另一半侧壁也看作一个受热传热面,这两个相邻的受热传热面之间形成助燃空气通道。
本实施例未提及的部分与以上实施例类似,此处不再赘述。
一百万年前当原始人类从雷电引起的森林大火取得火种点燃火堆来烤熟狩猎所得的肉食时,其燃烧加热方式可用图1表示(燃烧器为火堆,物体为肉食)。由于野外大风吹走相当多的燃烧热量,火焰受到的空气冷却热损失很大,原始人类在火堆上烤熟肉食时的热效率可能仅有百分之十几。
在公元前数万年的陶器时代,我们的祖先在土屋内用几块石头支起一个瓦罐并在石头间烧柴草来烹煮瓦罐内食物亦可由图1表示(燃烧器为点燃的柴草,物体为瓦罐)。土屋内无风,火焰受到的空气冷却热损失较低。但火焰容易供氧不足,不完全燃烧热损失较大。这时所取得的热效率可能仅有百分之二十几。
在公元初年前后的铁器时代,人们开始使用由柴火加热铁锅的带烟囱的土灶。用图1表示时燃烧器为点燃的柴草,物体为铁锅。火焰周围还有灶壁,火焰辐射被灶壁吸收使灶体升温(为蓄热损失),灶体外壁面向周围散热(为壁面散热损失)。由于烟囱具有良好的排烟和引风作用,人们使用带烟囱的土灶时在较好的情况下所取得的热效率可能达到了百分之三十几。
在二十一世纪的今天,每家每户都使用燃气灶。家用燃气灶的热损失情况与图1及“背景技术”部分的说明相符,主要为排烟热损失、火焰辐射热损失、空气冷却热损失、不完全燃烧热损失,还有锅具外表面散热损失等。我们每天使用的若干年前出厂的家用燃气灶的热效率一般为百分之四十几。最新的国标GB30720-2014《家用燃气灶具能效限定值及能效等级》要求2014年4月1日后出厂的台式燃气灶的热效率必须达到58%以上。
纵观百万年来人们日常烧火做饭方式演变过程中,热效率从百分之十几增加到了百分之四十几。尽管如此,百分之四十几的热效率意味着每家每户烧掉燃气产生的热量中得到有效利用的部分不足一半。与上述类似,遗憾的是在工业、民用和交通运输领域仍然有许多类型的热能设备也同样地普遍地热效率较为低下。显然,目前人们使用的燃烧技术及热能利用方式远非完善。在工业、民用和交通运输领域,化石燃料综合能源利用率分别约为55%、35%和25%,且大量燃烧化石燃料导致了严重空气污染和温室效应等问题。未来我们仍有十分巨大的节能减排的空间。为此,我们更加需要的是针对不同类型热能设备的降低热损失、提高热效率的具体技术手段。
现有技术提高热能设备热效率的主要技术手段之一是利用烟气余热来预热助燃空气。一般来说,助燃空气的预热温度每提高20℃,热效率可提高1%。但是,许多设备如本生灯、喷打、火炉、家用燃气灶、商用燃气灶以及各种移动式的、现场使用的、其它专门用途的工业加热设备难以收集燃烧烟气,不具备安装烟气余热回收换热器的条件。已经安装烟气余热回收换热器的其它类型热能设备则由于换热器的换热面积有限,烟气余热回收利用率不高。
现有技术普遍认为图1所示用火焰加热物体基本方式中火焰辐射能只占燃烧放热量的很小部分,因此火焰辐射能利用价值不大。本发明认为:火焰发出的可见光能量确实是只占燃烧放热量的百分之几以下,但热烟气中的二氧化碳和水蒸气在高温下发出大量的红外辐射能。火焰发光区域的紫外光、可见光、红外光能量与火焰周围及下游热烟气的红外辐射能合计的火焰辐射能可达到燃烧放热量的大约20%(蓝焰)或30%(黄焰)。因此,火焰辐射能可用于预热助燃空气。
本发明的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体的核心技术特征可以概括为:所述预热体具有吸收火焰辐射的一系列的受热传热面,每两个相邻的受热传热面之间为助燃空气通道,所述预热体将火焰辐射能转换所得的热能传递给流经且直接接触所述受热传热面的助燃空气。所述核心技术特征的具体形式包括但不限于:螺旋卷片式、平位、高位、低位放射翅片式、圆锥叠套式、螺旋绕片式、多层折叠式、多孔透气式、旋涡翅片式、换热列管式预热体。
本发明的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体的附加技术特征或辅助部件为圆筒(或内圆筒、外圆筒)、圆锥筒、圆鼓筒、圆环板、圆顶板、圆底板等。这些辅助部件起到了下列中的一种或多种作用:支承、定位、固定、挡风、限流、隔热、引流、导流、导热、传热、集热、构成燃烧室壁等。
对于不同的热能设备应视其具体条件采用核心技术特征的不同形式和各种辅助部件及其组合来构成适当的预热体形式。以上实施例1螺旋卷片式预热体为本发明应用于燃烧器头部周围有足够大的安装空间的燃烧加热设备(如本生灯、喷灯、火炬)的具体实施方式。实施例2平位放射翅片式预热体为本发明应用于燃烧器头部周围空间窄小的燃烧加热设备(如在家用燃气灶上使用圆底炒锅)的具体实施方式。实施例3高位放射翅片式预热体为在家用燃气灶上使用平底锅时的具体实施方式。实施例4圆锥叠套式、螺旋绕片式、多层折叠式预热体为家用燃气灶仍保留原配锅支架时的具体实施方式。实施例5低位放射翅片式预热体为本发明应用于燃烧器头部周围和下方有相当大的安装空间且具备安装排气筒或烟囱条件的自然通风燃烧加热设备(如商用中餐炒菜灶、大锅灶、汤灶)的具体实施方式。实施例6多孔透气式预热体为本发明应用于强制通风的民用燃烧设备(如商用鼓风式燃气灶、燃油灶)和工业燃烧设备(如鼓风式工业炉)的具体实施方式。实施例7旋涡翅片式预热体和实施例8换热列管式预热体为本发明在强制通风的民用燃烧设备(如商用鼓风式燃气灶、燃油灶)和工业燃烧设备(如辐射管加热器、鼓风式工业炉)进行弥散燃烧的具体实施方式。
本发明有多种产品形式。例如,图7中的高位放射翅片式预热体3可作为一种预热体产品(由圆筒32、长型放射翅片311、短型放射翅片312、圆环板35构成);高位放射翅片式预热体3亦可与平底锅组合成为一种节能锅产品(由圆筒32、长型放射翅片311、短型放射翅片312、圆环板35和平底锅构成,圆环板35和平底锅之间为固定或可拆卸式连接);高位放射翅片式预热体3亦可与燃气灶组合成为一种节能燃气灶产品(由圆筒32、长型放射翅片311、短型放射翅片312、圆环板35和燃气灶构成)。任何的包含本发明核心技术特征的热能设备均属于本发明权利要求的保护范围之内,所述热能设备是指燃烧加热设备、热能利用设备及器具。
以上实施例只是为了清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明实施方式的限定。人们使用的燃烧加热设备类型繁多,其燃料种类、燃烧器形式、设备结构、用途和使用条件差别较大。本说明书不可能逐一针对每种具体情况给出本发明的具体实施方式,在此不需要也不可能对本发明所有的实施方式予以穷举。
对于所属领域的普通技术人员来说,在上述实施例的基础上可以根据具体情况做出其它不同形式的变化或变动。这些根据具体情况所能作出的变化或改动对于所属领域的普通技术人员来说是显而易见的。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、简化、替代、添加、组合、修饰、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,其特征在于:所述预热体具有吸收火焰辐射的一系列的受热传热面,每两个相邻的所述受热传热面之间为助燃空气通道,所述预热体将火焰辐射能转换所得的热能传递给流经且直接接触所述受热传热面的助燃空气。
2.根据权利要求1所述的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,其特征在于:所述预热体的结构形式设置为所述预热体对于射向所述预热体的火焰辐射呈现黑体效应。
3.根据权利要求1所述的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,其特征在于:所述预热体的结构形式设置为所述预热体及其内部的热气体可以产生烟囱效应。
4.根据权利要求1所述的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,其特征在于:所述预热体具有的吸收火焰辐射的一系列的受热传热面的总面积大于或者等于额定功率时火焰外表面积的30倍。
5.根据权利要求1所述的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,其特征在于:所述预热体由若干金属薄片构成,所述金属薄片的表面为受热传热面,所述金属薄片布置为每两个相邻的受热传热面之间形成可作为助燃空气通道的窄缝空隙,并且每两个相邻的受热传热面之间窄缝空隙的开口位置和方向均朝向火焰使得火焰辐射可以射入窄缝空隙内部发生黑体效应。
6.根据权利要求5所述的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,其特征在于:所述预热体为平位放射翅片式预热体、高位放射翅片式预热体或者低位放射翅片式预热体;
所述平位放射翅片式预热体包括一系列的放射状翅片、圆筒,所述放射状翅片用金属薄片制作,所述放射状翅片以所述圆筒的中轴线为中心呈放射状地排列在所述圆筒的内部,所述放射状翅片之间窄缝空隙为助燃空气通道,所述放射状翅片离所述圆筒中轴线的近端形成直径比所述预热体应用的燃烧器头部外径大1至4cm的中部通孔,所述中部通孔的上边缘与燃烧器头部最上端平齐,所述圆筒的下部和上部分别开设有空气进口和排烟口;
所述高位放射翅片式预热体包括一系列的放射状翅片、圆筒和圆环板,所述放射状翅片用金属薄片制作,所述圆环板安装在所述圆筒的顶部,所述圆环板具有中部开孔,所述放射状翅片以所述圆筒的中轴线为中心呈放射状地排列在所述圆筒的内部,所述放射状翅片之间窄缝空隙为助燃空气通道,在所述圆筒底端至所述预热体应用的燃烧器头部高度的部位所述放射状翅片离所述圆筒中轴线的近端形成直径比燃烧器头部外径大1至4cm的中部通孔,所述中部通孔的上边缘与燃烧器头部最上端平齐,在燃烧器头部以上2至3cm至所述圆环板的部位所述放射状翅片离所述圆筒中轴线的的近端共同构成一个用于容纳被加热物体的圆柱状空腔,所述高位放射翅片式预热体的二分之一高度处高于燃烧器头部最上端;
所述低位放射翅片式预热体包括一系列的放射状翅片、圆锥筒和圆鼓筒,所述放射状翅片用金属薄片制作,所述放射状翅片以所述圆锥筒的中轴线为中心呈放射状地排列在所述圆锥筒的内部,所述放射状翅片之间窄缝空隙为助燃空气通道,所述放射状翅片离所述圆锥筒中轴线的近端形成与所述预热体应用的燃烧器头部外径相适配的中部通孔,所述中部通孔的上边缘低于燃烧器头部最上端,所述圆鼓筒的侧壁开设有排烟口,所述排烟口经烟道通向排烟筒,所述烟道上设有阀门,所述低位放射翅片预热体的二分之一高度处低于燃烧器头部最上端。
7.根据权利要求5所述的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,其特征在于:所述预热体为螺旋卷片式预热体、圆锥叠套式预热体、螺旋绕片式预热体或者多层折叠式预热体;
所述螺旋卷片式预热体包括螺旋卷片部和圆筒,所述螺旋卷片部用金属薄片按螺旋状地卷制成,螺旋卷片之间的窄缝空隙为助燃空气通道,所述圆筒连接所述螺旋卷片部上端外侧,所述螺旋卷片部具有与所述预热体应用的燃烧器头部外径相适配的中部通孔,所述中部通孔的上边缘低于燃烧器头部最上端;
所述圆锥叠套式预热体包括若干个金属薄壁圆锥筒,所述圆锥筒具有中部通孔,所述中部通孔的直径比所述预热体应用的燃烧器头部外径大1至4cm,所述圆锥筒依次从上往下叠套,上一个圆锥筒的壁面与下一个圆锥筒的壁面之间形成的圆锥台面形状的窄缝空隙为助燃空气通道,上一个圆锥筒与下一个圆锥筒之间的支承为上一个圆锥筒底部的垂直向下弯折的圆环状金属薄片,所述垂直向下弯折的圆环状金属薄片上绕圆周方向均匀地开设有助燃空气进口;
所述螺旋绕片式预热体由长度/宽度比大于60的金属薄片环绕所述预热体中轴线连续向下盘旋为螺旋状而绕制成,螺旋绕片之间窄缝空隙为助燃空气通道,所述螺旋绕片式预热体具有直径比所述预热体应用的燃烧器头部外径大1至4cm的中部通孔;
所述多层折叠式预热体由长度/宽度比大于60的金属薄片沿长度方向连续地、反复地、以相同的沿长度方向上的间距地折叠成,使其从侧面看时形成连续的WWW的形状,所述已经折叠完毕的金属薄片头尾相接成为空心圆环体形状,每两片相邻的折叠金属薄片之间的窄缝空隙为助燃空气通道,所述多层折叠式预热体具有直径比所述预热体应用的燃烧器头部外径大1至4cm的中部通孔。
8.根据权利要求5所述的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,其特征在于:所述预热体为旋涡翅片式预热体,包括一系列的旋涡状翅片、内圆筒、外圆筒、圆顶板和圆底板,所述旋涡状翅片以所述内圆筒的中轴线为中心排列在所述内圆筒内部的下半部,所述旋涡状翅片之间窄缝空隙为助燃空气通道,所述内圆筒和外圆筒之间形成中空夹层,所述外圆筒的顶部和底部分别由所述圆顶板和圆底板封闭,所述内圆筒固定安装在所述圆顶板下方,所述内圆筒的下端与所述圆底板之间有间隙,所述外圆筒上端壁面沿切向开设有空气进口,所述内圆筒壁面沿切向开设有燃料进口,所述圆顶板上设有排烟口。
9.根据权利要求1所述的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体,其特征在于:所述预热体为多孔透气式预热体或者换热列管式预热体;
所述多孔透气式预热体包括圆鼓筒和位于所述圆鼓筒内侧的、与所述圆鼓筒的形状相适应的多孔透气体,所述圆鼓筒与多孔透气体之间形成中空夹层,所述多孔透气体为多孔金属透气体、金属纤维透气体、泡沫陶瓷透气体或者蜂窝陶瓷体透气体,所述多孔透气体内的透气孔为助燃空气通道,所述圆鼓筒壁面沿切向开设有空气进口,所述圆鼓筒底部安装燃烧器,燃烧器周围有环形排烟口;
所述换热列管式预热体包括一系列的换热列管、第一圆筒、第二圆筒、第三圆筒、第四圆筒、圆顶板和圆底板,第一圆筒、第二圆筒、第三圆筒、第四圆筒的直径依次增大,第三圆筒和第四圆筒的顶部和底部分别由所述圆顶板和圆底板封闭,第三圆筒和第四圆筒之间形成中空夹层,第一圆筒固定安装在圆顶板下表面,第一圆筒的下端与圆底板之间有间隙,第二圆筒固定安装在圆底板上表面,第二圆筒的上端与圆顶板之间有间隙,所述换热列管穿过第一圆筒和第二圆筒,所述换热列管连通第一圆筒内的燃烧区和第三圆筒与第四圆筒之间的中空夹层,所述换热列管的管内为助燃空气通道,所述换热列管是绕圆周方向均匀地布置在第三圆筒以内的,所述圆底板中部开设有燃料进口,所述圆底板在第二圆筒与第三圆筒之间位置上开设有排烟口。
10.具有利用火焰辐射预热助燃空气的预热体的热能设备,其特征在于:包括以上任一项所述的利用火焰辐射预热助燃空气的预热体。
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