CN110168289A - 具有改进的热交换器接口的预混合燃料燃烧式设备 - Google Patents

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Abstract

一种燃料燃烧式加热设备，包括：燃烧器和邻近燃烧器的第一壳体，以便第一壳体的内部接收来自在燃烧器燃烧的燃烧气体。热交换器限定第二壳体，该第二壳体具有靠近第一壳体的出口的入口，使得第二壳体的入口接收来自第一壳体的出口的燃烧气体，并且其中第一和第二壳体在接口处连接。阻隔件在第一壳体的出口和第二壳体的入口之间的接口内延伸、并且穿过该接口，并且限定了阻止从燃烧气体到接口热传递的热阻。

Description

具有改进的热交换器接口的预混合燃料燃烧式设备
技术领域
本发明一般涉及燃料燃烧式加热设备，例如火炉、热水器和锅炉，更具体地说，涉及具有预混合燃料系统的燃料燃烧式火炉。
背景技术
火炉，通常用于给住房和建筑物供暖，一般在燃烧器中燃烧可燃燃料(例如，天然气)，以产生热燃烧气体，进而在燃烧气体排出建筑物外之前向热交换器提供热量。通常，热燃烧气体通过一个或多个热交换器管，鼓风机迫使空气通过热交换器管，从而将热燃烧气体中的热量传递给空气，然后空气经由管道系统分布在整个建筑物中。
发明内容
本发明的一个或多个实施例涉及一种使用预混合燃烧器技术的改进的燃料燃烧式加热设备。在某些实施例中，热交换器管通过靠近燃烧器的出口的模锻接头保持在接口处。为了防止模锻接头受到过大的热应力，采取某些措施来使接头热绝缘。
在一个实施例中，一种燃料燃烧式加热设备具有燃烧器；邻近燃烧器的第一壳体，以便第一壳体的内部接收来自在燃烧器燃烧的燃烧气体；以及热交换器，其限定第二壳体，该第二壳体具有靠近第一壳体的出口的入口，使得第二壳体的入口接收来自第一壳体的出口的燃烧气体。来自燃烧气体的热通过第二壳体传导并传递到邻近第二壳体外部附近的空气中。阻隔件在第一壳体的出口和第二壳体的入口之间的接口内延伸、并且穿过该接口，使得当燃烧气体流过第一壳体的出口和第二个壳体的入口时，阻隔件设置在接口和燃烧气体之间。阻隔件限定了阻止从燃烧气体到接口热传递的热阻。
在又一实施例中，一种燃料燃烧式加热设备具有燃烧器，该燃烧器具有至少一个出口并通过该出口排出热燃烧气体；热交换器，其与燃烧器的至少一个出口流体连通并包括至少一个燃烧输出管；以及安装支架，其连接到燃烧器和热交换器并且具有穿过其中的至少一个孔。所述至少一个出口在所述至少一个孔中从所述支架的第一侧附接到所述支架，并且所述至少一个燃烧管在所述至少一个孔中从所述支架的第二侧附接到所述支架，从而所述至少一个出口和所述至少一个燃烧输出管设置成经由所述孔、穿过所述支架彼此流体连通，使得所述热燃烧气体从所述至少一个出口流向所述至少一个燃烧输出管。绝缘阻隔件至少部分地设置在热燃烧气体和接口之间的至少一个燃烧输出管内，所述接口在至少一个孔处的安装支架和至少一个燃烧输出管之间。阻隔件限定了阻止从燃烧气体到接口热传递的热阻。
一种燃料燃烧式加热设备具有燃烧器，该燃烧器具有耐火件，该耐火件包围从发生燃烧的燃烧器表面延伸的体积，使得该体积接收从燃烧中排出的热燃烧气体；热交换器，其与该体积流体连通并包括燃烧输出管；以及安装支架，其连接到燃烧器和热交换器并具有穿过其中的孔。燃烧器在孔处从支架的第一侧附接到支架，并且燃烧输出管在孔处从支架的第二侧附接到支架，从而体积和燃烧输出管穿过支架设置成彼此流体连通，使得所述热燃烧气体从所述体积流向所述燃烧输出管。耐火件的一部分延伸进入热燃烧气体和接口之间的燃烧输出管中，所述接口在安装支架和燃烧输出管。耐火件的一部分限定阻止从热燃烧气体到接口热传递的热阻。
本发明的进一步适用范围将从下文提供的详细说明中变得明显。应当理解的是，详细说明和具体实施例虽然指明了本发明的优选实施例，但仅用于说明目的，并不意图限制本发明的范围。
附图说明
对于本领域普通技术人员来说，参考附图，在说明书中阐述了包括最佳实施方式的本发明的完整且有效的公开，其中：
图1是根据本发明的实施例、具有预混合燃烧器组件的燃料燃烧式强制空气加热火炉的局部示意性正视图；
图2是如图1所示的预混合燃烧器组件的实施例的透视图；
图3是如图2所示的预混合燃烧器组件的局部截面透视图；
图4是如图1所示的预混合燃烧器组件的部件的分解图；
图5是预混合燃烧器组件和热交换器之间的接口的局部截面图；
图6是如图5所示的预混合燃烧器组件和热交换器之间的接口的局部透视图；
图7是预混合燃烧器组件和热交换器之间的另一个接口的局部截面图；
图8是如图5所示的预混合燃烧器组件和热交换器之间的接口的局部截面图，具有可替换的热阻隔件；
图9是如图5所示的预混合燃烧器组件和热交换器之间的接口的局部截面图，具有可替换的热阻隔件；
图10是预混合燃烧器组件和具有可替换热阻隔件的热交换器之间的接口的局部截面图；以及
图11是如图10所示的预混合燃烧器组件和热交换器之间的接口的局部透视图；
图12是如图10和11中所示的预混合燃烧器组件和热交换器之间的接口的局部截面图，具有可替换的耐火件布置；
图13是在如图1中的火炉中所使用的热阻隔件的透视图；
图14是具有用于图1的火炉中的肋条的中心板的透视图；
图15A是用于图1的火炉中的具有圆形凹口的中心板的透视图；
图15B是与图15A的中心板配合的耐火件的透视图；以及
图16是在图1的火炉中使用的预混合燃烧器组件和热交换器之间的图5的接口的可替换接口的透视图。
根据本公开内容，在本说明书和附图中重复使用附图标记旨在表示本发明的相同或类似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，本发明的一个或多个示例在附图中得到说明。每个示例都是通过对本发明的解释而不是限制的方式来提供。事实上，对于本领域技术人员来说，在不偏离本发明的范围和精神的情况下对本发明进行修改和变更是显而易见的。例如，作为一个实施例的一部分说明或描述的特征可用于另一个实施例，以产生更进一步的实施例。因此，本发明的目的在于涵盖落入所附权利要求书及其等效物范围内的这些修改和变化。
如本文所用，涉及与燃料燃烧式加热设备的方向相关的方向或位置的术语，例如但不限于“垂直”、“水平”、“上部”、“下部”、“上方”或“下方”，指的是在其正常预期操作中相对于设备的定向的方向和相对位置，如本文附图中所示。因此，例如，术语“垂直”和“上部”是指附图的透视图中的垂直方向和相对上部位置，并且在该上下文中应理解，即使对于可能以不同方向布置的设备也是如此。
此外，本公开和所附权利要求书中所使用的术语“或”一词旨在表示包含性的“或”而不是排除性的“或”。也就是说，除非另有规定，或者从上下文中清楚地说明，否则短语“X使用A或B”旨在表示任何自然的包含性排列。也就是说，“X使用A或B”的表述满足于以下任何情况：X使用A；X使用B；或者X同时使用A和B。另外，本申请和所附权利要求中使用的冠词“一(a)”和“一(an)”通常应理解为表示“一个或多个(one or more)”，除非另有说明或从上下文中清楚地指向单数形式。在整个说明书和权利要求书中，除非上下文另有指示，否则以下术语至少采用本文明确相关的含义。下文所确定的含义并不一定限制术语，只是为术语提供了说明性示例。“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”的含义可以包括复数个，并且“在......中(in)”的含义可以包括“在......中(in)”和“在......上(on)”。本文所用的短语“在一个实施例中”，尽管可以指相同的实施例，但不一定指相同的实施例。
图1示出了代表性的燃料燃烧式加热设备、例如强制空气加热火炉10，其具有根据本发明的一个或多个实施例的NOx还原装置。火炉10是在建筑物的供暖、通风和空调(HVAC)系统中使用的强制通风设备。在强制通风系统中，空气处理器连接到管道通风系统，该系统将空气作为HVAC系统的一部分进行分配，并将其返回给空气处理器。空气处理器鼓风机通过管道通风系统从建筑物内的温度调节空间中吸入空气。管道系统与火炉10的壳体16的输入法兰(未示出)进行流体连通，该法兰包围穿过壳体16的开口。壳体16的下部包围增压室22，该增压室中设置有空气处理器鼓风机56。鼓风机具有通过壳体16中的开口流体连接到管道系统的输入端(垂直于从图中所示的视角的页面)，以便鼓风机通过管道系统和通向鼓风机的开口从调节空间吸入空气，并且具有通过将增压室22与火炉壳16内部的流动通道24分离的内部分隔构件18流体连接到开口的输出端，从而使空气处理器鼓风机56将接收到的空气推动进入流动通道24，从而使空气通过热交换器36上方并且通过壳体16的贯通出口(未示出)移动并进入连接到壳体16输出侧的出口管道系统，该出口管道系统将现在加热的空气引导回调节空间。可选择地，鼓风机56可以位于壳体16的外部，并布置在管道系统内或与管道系统对齐。安装在调节空间内的恒温器23具有温度传感器，用于感测调节空间内的温度。恒温器中的处理器或温度响应机械装置通过恒温器处的接口将温度与由用户设定的设定点温度进行比较，并且根据该比较，可以向控制器21发送信号，以请求控制器启动火炉，或者更具体地，启动燃烧器(下面讨论)以将热燃烧排气提供给热交换器并且通过启动空气处理器鼓风机56以使空气在热交换器上方移动。在1995年4月18日授权的美国专利5,406,933、2002年10月10日授权的美国专利4,960,012、以及2014年8月12日提交的美国专利申请号2016/0047548和2014年8月6日提交的2016/0040905中公开了火炉的构造和操作示例，其全部公开内容通过引用并入本文。
虽然所示实施例为强制空气火炉，但应该理解，其他实施例可以在其他装置中实现，例如热水器和锅炉。因此，例如，燃气热水器中的热交换器可以是延伸穿过水箱内部的烟道管，该烟道管与热水器外部的二级烟道管连通。因此，尽管本讨论以火炉的形式呈现一个或多个实施例，但应理解，这仅用于示例的目的，并且本发明可以体现在其他装置中。
外部壳体16连接到相应的水平和垂直分隔构件18、20(其可以被认为是壳体的一部分)，其将壳体16的内部分成回风增压室22、送风气流通道24和设备室26。每个分隔构件可以是大致片状结构。水平分隔构件18将壳体16的内部分成回风增压室22和送风气流通道24，使得两个区域之间的唯一流体连通是用于鼓风机56的输出的通孔。如上所述，空气处理器鼓风机56将来自管道的空气从调节空间抽到增压室22中，并将接收到的空气通过该通孔推入送风气流通道24。设备室26也位于水平分隔构件18的上方，但位于垂直分隔构件20和气流通道24的左侧。与分隔构件18类似，除了如本文所述的一个或多个通孔之外，分隔构件20完全分离其相对的腔室。除了空气入口、烟道出口和检修门之外，壳体16包围火炉10。
设备室26包含一个低NOx燃烧器组件28。在燃烧器组件28的上方以及垂直分隔构件20的左侧是感应通风鼓风机30。鼓风机30具有电机32、包括如下所述的环境空气入口的烟道适配器14和可连接到外部排气烟道12的向上出口34。
可操作地设置在送风气流通道24内的是燃烧热交换器36，其具有由两个L形金属燃烧输出管38(其中一个在图1中可见)限定的主热交换器部分。每个L形金属管38具有两个端部。开口的第一端40连接到燃烧器出口42的端部，使得管38的端部与燃烧器出口42进行流体连通以从其中接收燃烧气体，开口的第二向上转向端连接到进气歧管46并与进气歧管46流体连通以输送燃烧气体到其中。
热交换器36还包括二次热交换器部分48，该二次热交换器部分48设置在气流通道24的上部、并且包括连接到L形金属燃烧输出管38的向上转向端44的进气歧管46和连接到感应通风鼓风机30的入口并与之流体连通的排气歧管51。进气歧管46和排气51的内部通过多个垂直蛇形或盘绕的金属二次热交换器管52相互连通，所述金属二次热交换器管52在前后方向上彼此水平间隔开(即，进入和离开图1的页面视图)并在其相对端与进气歧管46和排气歧管51连接并与其流体连通。在图1中只能看到管52中的一个管，其余的管52位于单个可见管52后面。如图所示，每个管52的直径小于每个管38的直径。
空气处理器鼓风机56的配置可根据需要而变化，但在所示实施例中，鼓风机是鼠笼式鼓风机，其具有由感应电动机58驱动的鳍状环59，使得空气通过管道系统通过入口61进入鼓风机56，并且通过大体板状水平构件18中的出口和开口离开鼓风机，如63所示。由鼓风机56通过送风通道24向上推动的空气54在管38和52上方移动，然后通过壳体出口开口(未示出)排出，用以由送风管道系统(未示出)输送至火炉10提供的调节空间。
同时，低NOx燃烧器组件28中的燃气燃烧器的操作产生火焰，该火焰通过感应通风鼓风机30的操作被抽吸到主燃烧输出管38的开口左端40，这在热交换器管52、歧管46和歧管51以及管38内产生负压。因此，该负压也存在于燃烧器的表面，导致热气体通过热交换器管38和52从燃烧器流向鼓风机30。火焰产生热燃烧气体，鼓风机30依次通过管38、进气歧管46、管52和排气歧管51抽吸，然后通过排气烟道管12排放到大气中。当空气54在外部穿过热交换器36时，燃烧热量从管内部容积中的燃烧气体向穿过管壁的空气传递。也就是说，热传递发生在管壁上。
图2是如图1所示的预混合燃烧器组件28的放大透视图。所述部件包括但不限于：低压管路(供应)气体压力关闭开关70，气阀72，流体连接到气阀72的输入端口的输入气体管路(未示出)，流体连接到气阀72的输出端口并从气阀72的输出端口延伸、并且具有经由气孔74从管71的水平部分延伸到燃烧室壳体78内的燃料空气混合室79(图3)的气体输送部分73的气体输送管71，空气扩散器76(环境空气通过扩散器76进入燃烧室79)、燃料浓缩系统(包括燃料浓缩螺线管80和燃料浓缩配件82)、火焰传感器发光二极管(LED)84、混合室86、垫圈88、燃烧器箱90和板垫圈92。
参考图3，一个实施例中，燃料空气混合室为文丘里管型。阀72选择性地限制或允许来自气体供应管路(未示出)的气体在气体管路压力下进入气体输送管71。管的气体输送部分73限定了具有预定横截面积/直径的贯穿通道77，使得在给定由主管71输送的气体的压力的情况下，气体以一流速离开管71进入到燃料空气混合室79的上部，结合感应通风鼓风机30产生的负压通过燃烧室90和混合室86进入混合室79，使气流移动通过燃烧室78的受限颈部81。在颈部81处的横截面直径限制增加了流经该部分的气体和空气的体积的速度，其环绕在壳体16的上部26(图1)中的燃烧器装置28周围，从而降低了文丘里装置中的压力，并经由包括空气扩散器76的通孔将空气吸入到室79中，燃烧器装置28(图1)内的燃烧器组件28(图1)中，并混合燃料和空气。文丘里装置(79)和感应通风鼓风机30之间的系统配置是已知的，并且根据气体输入管路压力确定气体流速，文丘里装置内的压力是已知和可控的(通过选择颈部81的横截面积)，通过选择由感应通风燃烧器鼓风机30施加的负压(其可以根据“速度”描述)来控制空气与燃料的混合比。
气流通道可被视为限定在空气源(在所示实施例中，混合室周围的环境区域)和燃烧器之间。在本文所述的预混合燃烧器系统中，空气通道至少部分地与来自主气阀的燃料流动通道重叠。如下文所述，燃烧器表面周围的燃烧区域与周围空气的流入相密封。因此，鉴于上文讨论的燃烧器组件的部件的结构，空气燃料比和空气/燃料混合物被吸入燃烧器的速率由气阀72的设置和感应通风鼓风机30的速度来限定。选择这些参数以及上述燃烧器组件的结构部件(例如，通过测试和/或建模)，以在燃烧器和火炉在平衡状态下操作时在燃烧器表面达到所需的燃烧水平。特别是，减少或大量消除二次空气(即除作为预混料的一部分外)流入燃烧器表面周围燃烧区域意味着可以控制空气燃料比和空气/燃料混合气流量，以减少燃烧室中的过量空气量，即超过燃烧所需的空气，因此与大气型燃烧器和火炉相比，减少了NOx的产生。燃烧器组件28和引鼓风机30的配置和操作使得火炉的排放量小于20ng/J，但也应了解，相对于关于特定空气/燃料混合比和流速的这些组件的特定配置和操作、特定空气/燃料混合比和流速、以及NOx排放水平，在给定的火炉结构中，在平衡状态下可根据需要变化。此外，可以改变用于注入气体和吸入空气的燃烧器组件28的结构，此处提供的燃烧器组件28的讨论应理解为仅用于示例目的。
参考图3和图4，在燃料/空气混合室79的正下方是混合室的延续部分86，其中来自混合室79的燃料/空气混合物流过室86顶部的孔87。尽管气体和空气在室79中被吸合在一起，但它们可能不会完全混合在一起以提供始终如一的混合燃料。因此，室部分86提供在燃料和空气在其中能够被这样混合的体积，用于将始终如一的燃料/空气混合物传递到燃烧器。从腔室86的内部体积，由感应通风鼓风机30(图1)施加的负压将燃料/空气混合物抽吸到燃烧室壳体98的内部体积中，该壳体通过多个螺钉107或其它合适的装置连接到混合室86，垫圈97设置在组件之间以密封它们的连接。在燃烧室壳体98内设置有燃烧器94。燃烧器94具有主要的薄金属部分93，在某些实施例中，该金属部分93可包括网状物，并且在所示实施例中包括实心网状片，其在面向前的截头圆锥形部分99的端部处限定五个间隔开的圆顶91，使得在部分99处的圆顶91形成燃烧分布结构。在操作中，火焰延伸穿过整个网状物，因此圆顶91提供了与管38一致的更大的表面积，火焰在其上燃烧比网格具有平坦表面的情况更多。应当理解，在燃烧器具有网状表面的实施例中，网状空隙的边缘形成火焰保持结构。
燃烧器表面由一个圆环形法兰101包围，该法兰101与组件堆叠中的壳体98的面向内的法兰103邻接。垫圈88紧靠法兰101的相对侧，并将法兰101与耐火件96的前表面121密封地分离，耐火件96例如由硅石、氧化铝或其它合适的绝缘材料制成，其阻止从燃烧室内部向外的热量损失。燃烧器主板93和截头圆锥形部分99向前延伸到耐火件96的内部体积中，由此起到燃烧室内发生的燃烧的绝缘体的作用。板密封件92径向向外延伸，使其紧靠燃烧室壳体98的外法兰105，并通过销、螺钉、铆钉或类似物(未示出)与之相连，所述销、螺钉、铆钉或类似物延伸穿过板密封件92和法兰105中的对准孔，但是足够向内延伸以邻接耐火件96的前面周边的矩形切口部分。耐火件96的前表面的向内部分延伸到板密封件92的内圆周中，使得耐火件96的前表面的内部部分与板密封件92的另一侧齐平。多个螺钉、螺栓、销、铆钉等107延伸穿过垫圈88、燃烧器94的法兰101、燃烧室壳体98的法兰103、垫圈97和燃烧室86中的相应孔，以将这些部件相对地固定在一起。耐火件96在其正面121上限定多个孔，以接收连接装置104的端部，但不连接到它们。耐火件96可滑动地容纳在燃烧室中，并通过板密封件92固定到壳体98上。
如上所述，板密封件92和耐火件96的前表面形成一个齐平的前表面。该表面邻接中心板20(图1)，中心板20具有大致平面的作为主要构件的金属板。在燃烧器组件连接到中心板20的部分处，中心板20的主板限定了多个通孔，这些通孔与耐火件96的前表面中的相应的多个通孔对齐，其中一个在图3中可见，因此中心板20部分地(与耐火件96一起)限定了靠近燃烧器的第一壳体。壳体98通过螺钉穿过外部法兰105和中心板20而连接到中心板20，从而将板密封件92和耐火件96固定在中心板20上。通孔的直径与三个燃烧输出管38的外径相当，并且管38(图1)的前端40在如下所述的通孔处连接到中心板20，使得燃烧室65的内部通过中心板20中的通孔和耐火件96的前表面上的孔流体连接到燃烧输出管38的内部。
图5和6示出了燃烧器组件28的壳体和热交换器36的壳体之间的接口的局部剖视图和局部透视图。在中心板20中的每个通孔附近的中心板20的表面(可以被视为燃烧器组件和热交换器之间的安装支架，并且这两个组件连接在一起)从大致平面中心板20的平面向外，远离燃烧器组件28，在每个通孔处形成边缘131，每个边缘131限定其相应通孔的最小内径和由沿管38轴线的位置限定每个通孔限定的平面限定最小内径。每个燃烧输出管38的前端40(图1)延伸穿过相应的通孔并且具有径向向外的表面，该表面偏置到边缘131中(即，表面的外径大于边缘的内径)，从而留下管38的第一端40(图1)的部分135朝向燃烧器突出超过中心板20。
然后对管38进行模锻，在由每个通孔的最小内径限定并且与边缘131相邻的平面的每一侧上产生周向环形变形，每个变形的直径大于边缘131的内径，从而防止管38相对于中心板/安装支架20轴向(相对于管38的伸长轴和通孔的中心轴)移动，使得中心板20相对于燃烧器组件将管38安装到位。在所示实施例中，模锻管38在边缘131的燃烧器侧上形成截头圆锥形远端132，其直径略大于管38与边缘131相交的点处的通孔的内径，使得端部132的外表面在径向向外方向上抵靠边缘131偏置，以及模锻管38在边缘131的热交换器侧上形成环形脊部133，使得端部132、环形脊部133和它们之间的环形槽都具有比边缘131的内径更大的外径，由此，在燃烧管和中心板20之间的附接接口134处，在管38的端部和通孔/板20之间建立紧密的配合。可以实施与本公开内容一致的各种其它附接方法，用于将管38附接到中心板，包括但不限于焊接和围绕每个输出管38的外表面设置法兰，以提供用于将燃烧输出管38栓接至中心板20的表面。
耐火件96包括从耐火件最前表面向内的埋头孔凹槽150，其直径和深度足以容纳管38的端部135以及绝缘阻隔件、例如插入件或套管，如下所述。
在进一步的实施例中，其中一个在图8中示出，边缘131依靠朝向燃烧器组件28(图1)。边缘131依靠朝向燃烧器组件28的配置可能需要增加部分135的长度或在管38的端部40处的更大直径，而如果边缘131依靠朝向相反的方向，则反过来可能需要修改耐火件96(例如，增加埋头孔凹槽150的宽度或深度，以适应部分135的增加的长度或端部40的直径)。这些修改可能导致耐火件96的长而薄的壁，从而增加耐火件96开裂或断裂的风险。
还参见图13，绝缘阻隔件、在该示例中为插入件或套管140，设置在燃烧器28和接口134之间，部分地位于燃烧输出管38内并且部分地位于由耐火件96和中心板20形成的壳体内，并且使接口134与从燃烧器排出的热燃烧气体绝缘并且通过由耐火件96限定的内部体积流向燃烧输出管38，从而保护接口134免受高温热循环产生的热应力的影响，高温热循环在没有阻隔件的情况下会发生。在所示实施例的模拟中，针对接口134处的各种温度计算一系列屈服应力。在所示实施例的进一步模拟中，对接口处的各种温度的热应力进行建模。对于一组优选的操作参数(例如，空气-燃料比、空气/燃料混合物被抽吸到燃烧器的速率、以及通过热交换器的空气流速)，所示实施例的插入件降低了在屈服应力以下的接口处的热应力，并且在某些实施例中，降低至屈服应力以下至少35％至45％的热应力。插入件140在模具中铸造并且由绝热材料构成，例如包括陶瓷纤维的陶瓷基质复合材料。插入件140是轴对称的，具有圆柱形突出端141，其具有环形横截面，其通过拱形部分143过渡到法兰142中，使得插入件140具有一致的壁厚。插入件140的热阻，一般被限定为插入件的壁厚和热导率的函数，足以将在热燃烧气体通过耐火件96和管38流动期间的接口134的组件的温度，从在没有插入件140的情况下由燃烧气体驱动这些组件的温度降低到在燃烧气体流动期间接口134的每个部件(131和135)的热应力足够低于每个组件的各自屈服应力处的温度，以致在燃烧气体流动期间不会发生接口部件的塑性变形。应该理解，屈服应力是给定温度下材料塑性变形时的应力值。屈服应力随着温度的升高而降低，例如，随着材料温度的升高，使材料塑性变形所需的热应力的量减小，从而增加零件损坏的可能性。在所示实施例中，板20的边缘131和管38的端部135由钢制成。这些部件的屈服应力明显低于耐火件96的屈服应力，从而使边缘131和端部135在耐火件96之前塑性变形，并且使得边缘131和端部135的接合是在接口134的点处，其中接口的开口将首先由于热应力而发生。因此，插入件140的配置材料和尺寸应确保，在存在来自燃烧器组件的热燃烧气体流动的情况下，插入件的热阻将边缘131和端部135的温度保持在边缘131和端部135内的热应力使这些部件塑性变形的水平以下。也就是说，插入件将边缘131和端部135的温度保持在足够低的温度下，使这两个部件的屈服应力保持在这些部件在火炉运行期间经历的热应力之上。
插入件140通常是圆柱形的，具有穿过其延伸的开口的中心通孔，用于在燃烧器组件28和管38之间提供流体连通。插入件140具有壁厚和热导率，用于提供足以保护接口134不被加热超过其屈服应力的热阻。在所示的实施例中，插入件140沿其伸长轴长度为1.5英寸，并且相对于伸长轴具有大约四分之一英寸或更精确0.22英寸的壁厚。在进一步的实施例中，壁厚沿着远离法兰142的轴的方向减小，以便适应有助于在模具制造期间从模具中取出插入件140的后角。若干设计考虑因素控制插入件140的尺寸。例如，增加插入件140延伸到热交换器管38中的长度降低了接口134处的热应力，但会降低沿插入件绝缘的部分的热交换器管38的效率。因此，对插入件140的长度进行了优化，以防止接口134出现故障，同时通过热交换器管38提供足够的热传递，并且在给定的配置中可能会根据需要而变化。此外，在一些实施例中，插入件140可由易碎陶瓷材料组成。因此，减小壁厚可能会增加插入件140的易碎性。然而，增加插入件140的壁厚会减小通孔直径，从而限制通过插入件140的气流。因此，在所示实施例中，同时针对耐久性和性能优化径向(相对于伸长轴)壁厚。
法兰142抵靠在凹槽150内的耐火件96的前表面151上并且通过压缩配合保持在其中。在另一个实施例中，法兰142通过设置在它们之间的粘合剂(例如，陶瓷粘合剂)保持在抵靠前表面151的位置。粘合剂也构成耐火件96和前表面151之间的密封件的一部分。法兰142的最外表面144(距离插入件140的伸长轴最远)紧靠凹槽150的内径向表面152。从目前的讨论中可以理解，法兰142的最外直径将由于制造公差而变化。然而，耐火件96具有允许其变形的材料特性，以适应特定公差内的变化。例如，只要最外表面144的直径大于内径向表面152的直径，当插入件140插入埋头孔150中时，耐火件96的多个部分就会被挤压掉，从而使得径向表面152通过压配合与耐火件96的内径向表面152配合。为了适应制造公差，进一步利用耐火件96的软材料特性，制造耐火件96使得埋头孔150的深度小于管端部135的长度加上法兰142的厚度(沿伸长轴方向)。在组装期间，管端部135压靠在法兰142上，法兰142又反过来压靠在前表面15上，并挤压耐火件96的一部分，以适应埋头孔150的深度和前端部135的突出长度的变化公差。以这种方式，法兰142夹在耐火件96和管端部135之间，从而进一步防止插入件140的轴向移动。在进一步的实施例中，膨胀垫圈安装在插入件140和前端135之间的凹槽150内。如果在耐火件96和插入件140之间存在或形成间隙，则膨胀垫圈密封间隙并保护接口134免受燃烧室内的热量的影响，否则热量可能通过间隙到达接口。
通过将法兰142固定到前表面151，接口134被流体密封和热绝缘，以避免直接暴露于从燃烧器28排出的热气中。插入件140的突出端141延伸到管38中，从而提供燃烧气体流过的绝缘路径。突出端141的外径略小于管38的内径，从而允许插入管38，但防止大量的燃烧气体到达接口134。在一些实施例中，由于制造公差的原因，插入件140的外径可能比管38的内径小四分之一英寸，从而在插入件140的外表面和管38的内表面之间形成1/8英寸的平均间隙。插入件140与换热器管38内表面之间的间隙部分较小，以限制通过对流向接口134传热递。此外，插入件140引导燃烧气体流动经过接口134。由于在管和插入件之间的间隙处没有沿燃烧器方向的流体出口，所以一定量的燃烧气体会滞留在间隙中。由经过管38的气流冷却的停滞体积的燃烧气体保护接口134免于暴露于热燃烧气体。而且，因为管38的外部将热量传递给周围的空气，所以沿着外部管38的长度从插入件140的端部(离燃烧器28最远)到接口134损失了热量，从而降低了接口134所经历的温度。以这种方式，通过管38保护接口134不受传导的影响。
图7示出了阻隔件和壳体接口的替代实施例，其中插入件140设置在端部内，该端部具有比燃烧输出管38的主要部分更大的内径。此外，图7的实施例中的插入件140的壁厚随着远离燃烧器28的轴向距离的函数而减小，示出了上述的后角。在图7所示的实施例中，示出了在被锻造以形成接口134之前的管38。
由于制造公差，在一些实施例中，某些测量在制造商之间可能是不均匀的(例如，管部分135的长度可以变化)。因此，本公开内容的实施例的变型可以适应制造公差。例如，为了适应管部分135的不同长度，可以增加耐火件96中的凹槽150(沿管38的轴方向)的深度，以接收和容纳管部分135的最大长度公差。
图8示出了阻隔件的另一个实施例，其中插入件/套管140具有主要大致圆柱形部分141、环形法兰142和第二大致圆柱形部分145。耐火件96中的每个出口孔的外径足以容纳第二部分145的外径，第二部分145通过每个出口孔延伸到耐火件96中。为了在具有足够直径的耐火件中提供出口孔，图8所示实施例中的耐火件96的每个出口孔的直径比图5和6的实施例中所示的直径大。当第二突出物145设置在耐火件出口内时，耐火件出口将插入件140置于管38中心处。端部135的尺寸可能会有所不同，例如，由于制造公差和/或模锻的影响。为了补偿管部分135的变化的圆度，阻隔件、例如图9的插入件或套管140限定了倒角边缘146。当插入件140插入管38的端部40(图1)中时，端部40最靠近延长管中心轴的部分首先接触倒角边缘146。倒角边缘146的角度足够浅，使得倒角边缘146楔入前端40的接触倒角边缘146远离管的纵向中心轴的部分，从而引导前端40的外边缘朝向均匀直径。如果前端40的边缘不在平面上，或者如果它位于与管38的纵轴不垂直的平面上，则倒角边缘146将充当楔形物，以将前边缘40的最向前部分向外弯曲，这又使前边缘40的较大部分抵靠插入件140，从而允许前边缘40的更大部分与插入件140配合并产生改进的热密封。
在另一个实施例中，如图10和11所示，阻隔件形成为耐火件96的一部分的环形延伸部155，其从每个孔向前延伸并围绕每个孔延伸到管38的每个相应的后端40中。延伸部分155向前延伸，相对于延长管38的轴，超出与纵轴垂直的平面穿过接口134的点。延伸部155的尺寸(例如，其伸入管38内的内径和距离)与上文讨论的插入件140的尺寸类似进行优化，以优化耐久性、减少接口134处的热应力、促进流入热交换器管38、并优化穿过管38的壁的热交换。在图12中，延伸部155在轴向上再次延伸至接口134之外，但耐火件96的中心孔也逐渐变细，使得耐火件96的中心孔或通道在朝向耐火件和延伸部155前端的方向上变窄，因此，耐火孔的内表面的形状为截头圆锥形，并且与具有一致的圆柱形内孔的情况相比，提供了更宽的宽度的延伸部155。延伸部155的较宽宽度增加了其结构完整性。
热阻隔件可以采用各种其他形式。例如，阻隔件可以是喷涂或以其他它方式设置在接口134上的绝缘泡沫涂层。
此外，除(或除了)使用接口134的模锻连接以外，管部分135可以围绕边缘131滚动。
此外，可使用较厚的管38和/或较厚材料的中心板20来加强接口134。
图14、15A和15B示出了进一步防止接口134失效的实施例。图14显示了带有垂直肋180的中心板20。垂直肋180用于通过提供比平面更大的表面积来促进与空气54的热交换，从而导致比空气54与中心板20的平面之间的热交换率更大的热交换率。另外，垂直肋180为中心板20提供了比平面表面更大的截面刚度。因此，较大的截面刚度减小了主管的热变形引起的振动，这种振动对中心板产生弯曲应力。图15A示出了类似的配置，但中心板没有肋180，而有环185。环185同样提供比平面更大的热交换表面和更大的截面刚度。图15B示出了具有环形切口186的耐火件，以接收具有环185的中心板。
此外，燃烧器28可以在较低温度下操作，从而减少包括接口134在内的所有部件上的热应力。例如，通过控制输送到燃烧器的空气和燃料的比例或量，燃烧器28可以在较低温度下操作。可选择地，或者除了改变燃烧器28的空气和燃料量以外，增加穿过管38的气流减小了接口134的温度。
图16示出了用于防止中心板20和管38之间的接口失效的另一实施例。在所示实施例中，边缘131滚动约270度以形成环191——即，与围绕中心线旋转的环匹配的形状，该中心线被限定为延伸穿过孔的中心并垂直于中心板20的平面的线(例如，具有与环圆环的一部分匹配的表面)。管38的端部135(远离管38的内部)向外滚动约180度，并抵靠边缘131的外表面，从而形成具有比例如如图5所示的模锻接口134的表面面积更大的表面面积(即中心板20和管38相邻的区域)的轧制接口192。因为接口192具有比接口134更大的表面面积，所以为了使接口失效并使燃烧气体泄漏，间隙必须延伸通过比接口134更大的长度。此外，由于表面面积更大，相比于表面面积较小的模锻构造的接口134，更少的应力集中在轧制接口134上。因此，轧制接口192将应力分布在接触区域上方，以使应力集中最小化。此外，将中心板20和管38一起滚动会限制彼此之间的相对运动，从而限制方向(在所示实施例中，只能进行轴向运动)，其中部件可以分离，以产生用于泄漏燃烧气体的间隙。在另一个实施例中，端部135进一步滚动(即，超过270度)，从而将中心板20和管38“锁定”在一起并限制任何相对运动，而不会使中心板20和管38中的至少一个变形。因此，接口192可能能够比图5中所示的模锻接口134更能抵抗失效。
如上所示，由混合室79/86(图2和3)限定的体积和限定燃烧室65(图3)的在燃烧器94周围的部件与预混合燃烧器组件和输入气体管路(空气扩散器76除外)周围的区域流体密封(图2和3)。此外，板密封件92以流体密封的方式围绕通孔与中心板20接合，并且管38(图1)的敞开的第一端40以流体密封的方式接合并围绕中心板20中的通孔，使得管38的内部与燃烧室65流体连通，而没有环境空气流入燃烧室或管中。此外，管38密封地连接到歧管46上。歧管46密封地连接到管52上。管52密封地连接到歧管51，以及歧管51密封地连接到感应通风鼓风机30的输入侧。因此，在鼓风机30的输入端和歧管51内产生的负压通过管52、歧管46和管38传递到燃烧室65，而不将环境空气(通过空气扩散器76除外)吸入燃烧室中或进入到上达鼓风机30的燃烧排气流中。
火焰传感器和火花点火器95、以及LED指示器84通过燃烧室壳体98顶部中的相应孔延伸。火花点火器95通过导电线路和电源与控制器21操作地连接，从而由控制器启动的点火器95使点火器在其下部远端产生火花，火花向下延伸到在燃烧器94的主体部分93和圆顶91中的一个的前部或附近的燃烧室的内部，燃料浓缩系统的气体喷嘴的输出从配件82(图2)处的腔室壁中的孔延伸到燃烧室中，如下所述。当控制器21启动感应通风鼓风机30从而通过管38和52向燃烧室65提供负压并控制阀80打开时，加压气体响应于负压和气体管路压力流入区域65。控制器还启动点火器95，从而在燃烧器表面产生火花，该火花点燃来自燃料浓缩系统的燃料，燃料浓缩系统现在从靠近燃烧器的喷嘴流出并与最初存在于燃烧室中的空气混合，从而使火焰保持在喷嘴处，靠近燃烧器表面。然后，控制器控制阀72以打开进入混合室79/86的气流并从那里进入燃烧器94，在燃烧器94处，燃料浓缩系统火焰点燃空气/气体混合物。预混料空气/燃料混合物的燃烧在整个预热期间持续进行。此外，由于鼓风机30产生的负压，由燃烧器94处燃烧产生的热气通过耐火件96前面的孔和中心板20从燃烧室中抽出，并进入和通过管38和52，并通过介入歧管46和51到达鼓风机30。
虽然上文描述了本发明的一个或多个优选实施例，但本领域技术人员应当了解，在不偏离本发明的范围和精神的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。例如，一个实施例的元件可以与另一个实施例组合以创建另一个实施例。本发明旨在涵盖落入本公开内容、所附权利要求及其等效物的范围和精神内的这些修改和变化。

Claims (15)

1.一种燃料燃烧式加热设备，其包括：
燃烧器；
邻近燃烧器的第一壳体，使得第一壳体的内部接收来自燃烧器处燃烧的燃烧气体；
热交换器，其限定第二壳体，该第二壳体具有靠近第一壳体的出口的入口，使得第二壳体的入口接收来自第一壳体的出口的燃烧气体，其中，来自燃烧气体的热通过第二壳体传导并传递到邻近第二壳体的外部附近的空气中；以及
阻隔件，其在第一壳体的出口和第二壳体的入口之间的接口内延伸、并且穿过该接口，使得当燃烧气体流过第一壳体的出口和第二壳体的入口时，阻隔件设置在所述接口和所述燃烧气体之间，其中，阻隔件限定阻止从燃烧气体到接口热传递的热阻。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述阻隔件具有延伸至所述第一壳体的出口和所述第二壳体的入口的长度、在所述燃烧气体和所述接口之间延伸的厚度、以及材料成分，使得当燃烧气体流过第一壳体的出口和第二壳体的入口时，所述阻隔件对燃烧气体之间的热传递提供足够的热阻，以保持接口处的应力低于接口的屈服应力。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述接口是模锻接口。
4.根据权利要求3所述的设备，其中，所述第一壳体限定在所述出口处并且围绕所述出口延伸的边缘，所述边缘远离所述第一壳体的外表面延伸，使得所述边缘的内径接合所述第二壳体的外径，并且其中，所述第二壳体延伸至所述出口中并被模锻，以在所述边缘的第一侧上形成第一周向凸起，并且在所述边缘的与第一周向凸起相对的第二侧上形成第二周向凸起，其中，接合所述边缘的内径的所述第二壳体的表面偏置成与所述边缘接合，并且其中，第一周向凸起和第二周向凸起中的每一个具有大于所述边缘内径的外径，从而限定所述模锻接口。
5.一种燃料燃烧式加热设备，其包括：
燃烧器，该燃烧器具有至少一个出口，热燃烧气体通过所述出口排出；
热交换器，其与燃烧器的至少一个出口流体连通并包括至少一个燃烧输出管；
安装支架，其连接到燃烧器和热交换器并且具有穿过其中的至少一个孔，其中，所述至少一个出口在所述至少一个孔处从所述支架的第一侧附接到所述支架，并且所述至少一个燃烧管在所述至少一个孔处从所述支架的第二侧附接到所述支架，从而所述至少一个出口和所述至少一个燃烧输出管设置成经由所述孔、穿过所述支架彼此流体连通，使得所述热燃烧气体从所述至少一个出口流向所述至少一个燃烧输出管；以及
绝缘阻隔件，其至少部分地设置在热燃烧气体和接口之间的至少一个燃烧输出管内，所述接口在至少一个孔处的安装支架和至少一个燃烧输出管之间，其中，阻隔件限定阻止从热燃烧气体到所述接口热传递的热阻。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述接口具有屈服应力，并且其中，所述阻隔件具有延伸至所述至少一个燃烧输出管的长度、在所述热燃烧气体与所述接口之间延伸的厚度、以及材料成分，使得当燃烧气体流过第一壳体的出口和第二壳体的入口时，所述阻隔件对燃烧气体之间的热传递提供足够的热阻，以保持接口处的应力低于接口的屈服应力。
7.根据权利要求5所述的设备，其中，所述接口是模锻接口。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述支架限定在所述至少一个孔处并且围绕所述至少一个孔延伸的各自的边缘，所述各自的边缘远离所述安装支架的外表面延伸，使得在每个所述孔处，所述边缘的内径接合燃烧输出管的外径，并且其中，所述燃烧输出管延伸至所述出口并且被模锻以在所述边缘的第一侧上形成第一周向凸起，并且在所述边缘的与第一周向凸起相对的第二侧上形成第二周向凸起，其中，接合所述边缘的内径的所述燃烧输出管的表面偏置成与所述边缘接合，并且其中，第一周向凸起和第二周向凸起中的每一个具有大于所述边缘的内径的外径，从而限定所述模锻接口。
9.根据权利要求5所述的设备，其中，所述阻隔件限定具有环形截面的大致圆柱形部分，所述大致圆柱形部分至少部分地设置在所述燃烧输出管内。
10.根据权利要求6所述的设备，其中，所述燃烧器包括耐火件，所述耐火件包围从燃烧器表面延伸到所述支架的体积，在该燃烧器表面处发生燃烧，其中，所述耐火件从所述耐火件的邻近所述支架的表面限定其中的凹槽，并且其中，阻隔件延伸到凹槽中并抵靠凹槽的表面固定。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述阻隔件包括与所述耐火件的凹槽匹配的法兰。
12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述法兰与耐火件内的燃烧器匹配。
13.根据权利要求11所述的设备，其中，所述阻隔件和所述耐火件之间的接合阻止热燃烧气体通向所述接口。
14.一种燃料燃烧式加热设备，其包括：
燃烧器，该燃烧器包括耐火件，该耐火件包围从发生燃烧的燃烧器表面延伸的体积，使得该体积接收从燃烧中排出的热燃烧气体；
热交换器，其与该体积流体连通并包括燃烧输出管；以及
安装支架，其连接到燃烧器和热交换器并具有穿过其中的孔，其中，燃烧器在孔处从支架的第一侧附接到支架，并且燃烧输出管在孔处从支架的第二侧附接到支架，从而所述体积和燃烧输出管设置成穿过所述支架彼此流体连通，使得所述热燃烧气体从所述体积流向所述燃烧输出管，
其中，耐火件的一部分延伸进入热燃烧气体和接口之间的燃烧输出管，所述接口在安装支架和燃烧输出管之间，其中，耐火件的一部分限定阻止从热燃烧气体到接口热传递的热阻。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述接口具有屈服应力，并且其中，所述耐火件的所述一部分具有延伸至所述燃烧输出管的长度、在所述热燃烧气体与所述接口之间延伸的厚度、以及材料成分，使得当燃烧气体流过燃烧输出管时，所述耐火件的所述一部分对燃烧气体之间的热传递提供足够的热阻，以保持接口处的应力低于接口的屈服应力。
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