CN110869673A - 燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种燃烧器(1)，所述燃烧器具有壳体(2)，在所述壳体上设置燃烧管(3)，所述燃烧管(3)在背向壳体(2)的端部上具有开口(4)，在所述燃烧管(3)中设有混合元件(5)，并且在所述混合元件(5)与所述开口(4)之间的空间形成燃烧室(6)，壳体(2)具有至少两个彼此分开的通道(8)，这些通道在混合元件(5)中引出，气体流动通过所述通道(8)和混合元件(5)并且在燃烧室(6)中才进行所述气体的混合，其中，所述混合元件(5)是通过增材式制造方法制造的并且具有至少两个分开的中间通道(9)，所述中间通道朝燃烧室(6)的方向上沿流动通过方向分支。

Description

燃烧器
技术领域
本发明涉及一种具有壳体的燃烧器，在所述壳体上设置燃烧管，所述燃烧管在背向壳体的端部上具有开口，在燃烧管中设有混合元件，并且在所述混合元件与所述开口之间的空间形成燃烧室，所述壳体具有至少两个彼此分开的通道，这些通道在混合元件中引出，气体流动通过所述通道和混合元件并且在燃烧室中才进行气体的混合。
背景技术
这种燃烧器、特别是用于工业用途的气体燃烧器是在燃烧过程中将化学能转化为热能的装置。在燃烧过程中，使至少一种氧化剂、优选是空气或氧气连同燃料一起在燃烧室中在释放热量的情况下以连续反应燃烧。被加热的废气通过开口释放到开放的环境中并且例如可以用于干燥设备、热力二次燃烧装置、循环系统、固化炉或其他过程技术上的设备。作为燃料例如可以燃烧所有市场上常见的经净化的气体，如城市燃气、远程燃气、天然气和液化气及其与空气的混合物。
从现有技术中公知的燃烧器可分为两类，其中氧化剂与燃料作为混合物喷入燃烧室的燃烧器属于第一类。这种燃烧器也称为预混合燃烧器。与第一类燃烧器相反，属于第二类的燃烧器具有单独的用于氧化剂和燃料的通向燃烧室的进料管线，从而在燃烧室中才进行两种物质的混合。
第一类燃烧器虽然具有以均匀的状态在燃烧室中提供氧化剂和燃料的混合物的优点，但是也具有这样的缺点，即不存在防止回火的绝对安全性。对于第二类燃烧器的情况下，通过分开供应氧化剂和燃料而避免了回火，但是与第一类燃烧器的混合物所达到的均匀性相比，在燃烧室中混合物的均匀性不是最佳的。
由US 2016/0377293 A1、US 2016/0223201 A1以及从GB 2 536 965 A中已知用于制造燃烧器构件的增材制造方法，因为这特别适用于复杂的结构部件。
发明内容
本发明涉及第二类燃烧器，并且根据在安全性和通过混合物的高均匀度实现最佳燃烧之间上述的冲突情况，本发明提出了这样的目的，提供一种第二类燃烧器，所述燃烧器在燃烧室中实现了混合物改善的均匀性，以便优化燃烧过程。
根据本发明，所述目的在前面所述的类型的燃烧器中通过权利要求1的特征来实现。
因此提供了一种燃烧器，其中通过增材式制造方法生产混合元件。增材制造方法主要还包括粉末床法，尤其是选择性激光熔融和选择性激光烧结。通过用增材制造方法制造混合元件，可以实现一种向燃烧室中供应氧化剂和燃料的新方式，这种供应可以这样来优化，即，可以通过氧化剂与燃料的比例在较宽的调节范围上实现均匀的混合，并且由此在燃烧器的整个性能范围上确保实现完全燃烧。
所述混合元件具有至少两个分开的中间通道，所述中间通道朝燃烧室的方向在流动方向上分支。尽管由US 2016/0223201A1已经公开了分支并且然后引出的中间通道，但该文献不涉及燃气燃烧器，而是涉及一种用于燃气涡轮发动机的燃料喷射器。这是是一种类似于第一类气体燃烧器的燃料喷射器，其中作为混合物将氧化剂连同燃料喷射到燃烧室中(所谓的预混燃烧器)。
但本发明涉及第二类燃烧器，其中通过两个通道实现将氧化剂和燃料分开地输送到燃烧室。但US 2016/0223201 A1仅具有一个主供应通道，如由图2可以清楚地看到的那样。在所述主供应通道上设置一个节点，在涡轮机内从该节点分支出两条(不是彼此分开的)分线路。
在燃烧器运行中，一个不应低估的问题是，可能会出现的在燃烧过程中形成的有害的氮氧化物。这里，燃烧器、尤其是燃烧室的设计方案以及氧化剂和燃料的供应对燃烧过程中氮氧化物的形成具有很大的影响。可以这样来优化增材式制造的混合元件，使得这种氮氧化物的形成完全被抑制或使其降低到最小。在这种情况下，可以设想的是，燃烧器设有废气回输装置，在所述废气回输装置中将已经燃烧的、具有低氧含量和较高二氧化碳含量的废气引入燃烧室。喷入这种惰性废气会使得明显降低氮氧化物的生成。
此外，也可以设想将设计燃烧器和/或混合元件设计成，使得废气回输装置设置在对供应到燃烧室中的氧化剂和/或燃料进行加热之前。
本发明的其他的设计方案由从属权利要求中得出。
这里适宜的是，混合元件一体地构成。一体的混合元件的优点在于，在混合元件具有紧凑的尺寸的同时，可以氧化剂和燃料向燃烧室中的供应。此外，氧化剂和燃料的供应可以设定成用多件式混合元件无法实现的方式和形式。同时，本发明设定，混合元件具有至少两个分开的中间通道，所述中间通道朝燃烧室的方向在流动方向上分支。中间通道的这种分支结构确保了，氧化剂和/或燃料不是仅局部地一个位置处喷射到燃烧室中，而是在多个可能的位置处喷射，从而在燃烧室的起始区域中就已经实现了氧化剂和燃料基本上均匀的混合。燃烧室的初始区域在此应被视为是到混合器比到燃烧器开口具有更小距离的区域。氧化剂和燃料的均匀混合不仅抑制了氮氧化物的形成，而且还提高了燃烧器的效率，并且由此降低了燃料成本。
此外，优选地设定，设有三至五个中间通道。这种选择是混合元件的结构费用和其制造技术上的要求以及在最佳燃烧方面要实现的优点之间的最优方案。
在另一种设计方案中设定，中间通道通在多个出口中引出，对于至少一个中间通道，出口横截面相对于通道横截面减小。出口横截面的减小提供了这样的优点，即，在混合元件朝向燃烧室的侧面上可以设置多个出口，这些出口使得氧化剂和燃料可以最佳地混合。另一方面，因此还可以向混合元件供应大的气体体积流量，这是因为通向混合元件的通道具有较大的直径。
此外设定的是，每个单个出口装备有用于离开混合元件的气体的适当的混合、涡流和/或雾化元件。通过这些元件，使气体在离开时湍流式地出现涡流，从而氧化剂可以特别均匀地与燃料混合。这里优点是，在进入燃烧室的起始区域时就已经实现了氧化剂和燃料混合的均匀性。
另一个设计方案设定，在出口处设置漩涡元件、挡板元件、流动分离边缘、阻挡边缘、槽、混合喷嘴、混合阀和/或排气弯管。这不应理解为，所有出口具有相同的元件，而是根据出口的位置设置前述元件之一，该元件会带来混合物总体上改进的均匀性。这使得可以实现不同元件的多种组合，从而混合元件可以与确定的燃烧器类别的要求相适配。
本发明的一个特殊的设计方案设定，至少一个所述中间通道具有螺旋形的槽。此时，相应的槽例如可以具有矩形的横截面或也可以构造成菱形的。通过将螺旋形凹槽引入中间通道，可以控制相应气体进入燃烧室的进入速度，以便以高度的均匀性实现氧化剂和燃料的混合。
本发明的另一个特殊的设计方案设定，所述出口设置成，使得气体在燃烧室内实现均匀的混合。由此提高燃烧器的效率，并且同时抑制了有害的氮氧化物的形成。氧化剂和燃料的供应可通过多个通道进行，这里，根据功率范围，在燃烧器壳体区域内例如封闭或打开单个供应结构。由此可以在燃烧器的整个功率范围内实现完全燃烧。
此外优选设定，在混合元件的出口侧上设置UV或IR火焰传感器。由此可以连续地监控燃烧过程，以便在必要时这样来适配调整氧化剂和/或燃料的供应，使得燃烧过程按希望的标准进行。为此，火焰传感器可以在信息技术上与适当的控制或调节单元连接，这里所述控制或调节单元可以例如设置在燃烧器的壳体中。
附加地设定，来自燃烧室的废气可以通过一个或多个中间通道朝壳体的方向回流。回流的废气尤其是可以通过中间通道的壁部对朝燃烧室方向流动的气体进行预热。由于此时冷的燃烧空气围绕热的引导废气的通道流动，所述燃烧空气被预热。这以换热器-燃烧器的形式这提高了燃烧器的效率，此时，充分发挥了用3D打印制造的热交换器的特殊优点。由此，在具有良好效率的混合单元的内部得到一种非常紧凑的热交换器。
附图说明
本发明的其他特征、细节和优点根据下面的说明以及参考附图得出。彼此对应的物体或元件在所有附图中设有相同的附图标记。其中
图1是根据本发明的燃烧器的示意图，
图2是根据本发明的构造成双通道系统的混合元件的透视图，
图3是图2的混合元件的假想的分解图，
图4是图2的混合元件的入口侧的视图，
图5是图2的混合元件的出口侧的视图，
图6是图2的混合元件沿线A-A的剖视图，
图7是根据本发明的构造成三通道系统的混合元件的透视图，
图8是图7的混合元件的假想的分解图，
图9是图7的混合元件的入口侧的视图，
图10是图7的混合元件的出口侧的视图，
图11是根据本发明的构造成四通道系统的混合元件的透视图，
图12是图11的混合元件的假想的分解图，
图13是图11的混合元件的入口侧的视图，
图14是图11的混合元件的出口侧的视图，
图15是根据本发明的混合元件的透视图，
图16是图15的变型方案，带有示意性的气体箭头，以及
图17是具有再循环器的混合元件的入口侧的视图。
具体实施方式
在图1中示出根据本发明的燃烧器的示意图，所述燃烧器具有壳体2，在所述壳体上设置燃烧管3，所述燃烧管3在背向壳体2的端部上具有开口4。在燃烧管3中设有混合元件5，并且所述混合元件5与开口4之间的空间形成燃烧室6。在这个实施例中，第一通道8至少部分地延伸穿过壳体2和燃烧管3。在燃烧管3和第一通道8之间的空间体积或中间室7形成另一个通道。
因此，壳体2具有至少两个彼此分开的通道8，这些通道在混合元件5中引出，其中气体传输或流动通过通道8和混合元件5，并且在燃烧室6中才发生这些气体的混合。为了清楚起见，未示出在壳体2和由中间室7构成的通道之间的连接。在燃烧室6中，在混合元件5的出口侧上设有UV或IR火焰传感器，以便连续地监视燃烧过程。点燃燃烧室6中的气体混合物的点火装置未示出。
在图2中用透视图、在图3中用假想的分解图、在图4中在入口侧、在图5中在出口侧以及在图6中作为剖视图示出构造成双通道系统的混合元件5。图3中假想的分解图仅用于概览，并且在现实中混合元件5的各个组件不能分离，因为这会导致混合元件5的破坏，因为混合元件5是通过增材制造方法一体地形成的。入口侧是指在燃烧器1中的已安装状态下混合元件5的与中间室7邻接的侧面。出口侧是指在燃烧器1中的已安装状态下混合元件5的与燃烧室6邻接的侧面。
混合元件5优选地具有管状的外壁14，所述外壁设置有径向向内伸出的流阻元件16，所述流阻元件16优选地横向于外壁14的纵向对称轴线或旋转轴线定向。所述流阻元件16可以沿径向方向通过与外壁14相比具有较小的直径和较短的纵向长度的管段分开。由此流阻元件16可以根据其径向位置以不同角度横向于外壁14的纵向对称轴线设置。流阻元件16优选可以构造成叶轮式的。
优选引导气态的燃料通过的内部的或者说第一通道8，所述第一通道分支成多个中间通道9，这些中间通道穿过流阻元件16和与其相配的管段。中间通道9具有通入燃烧室6中的出口10。为了清楚起见，没有示出在开口10上可能的漩涡元件、挡板元件、流动分离边缘、阻挡边缘、槽、混合喷嘴、混合阀和/或排气弯管。用于氧化剂的第二通道8或中间室7由通过外壁14和通道8及其中间通道9界定的空间形成。该实施形式有利之处在于，中间通道9本身构成附加的流阻元件。因此，中间通道9不仅具有将燃料输送到燃烧室中的功能，而且还有助于使氧化剂产生涡流。在这个实施例中，第一通道8的通道横截面12选择成大于出口10的横截面，以便实现燃料的均匀分布。
在图7中用透视图、在图8中用假想的分解图、在图9中在入口侧、在图10中在出口侧示出另一个构造成三通道系统的混合元件5。在图8中假想的分解图仅用于概览，并且在现实中混合元件5的不同组件不能分离。
与双通道系统不同，三通道系统具有附加的通道8，这里，这个附加的通道例如设置在第一通道8中。这个附加的通道8也具有其所属的中间通道9，这些中间通道穿过流阻元件16和其相配的管段。这个附加的通道8可以例如用于向燃烧室6中喷射附加的燃料并由此优化燃烧过程。
在图11中用透视图、在图12中用假想的分解图、在图13中在入口侧、在图14中在出口侧示出一个构造成四通道系统的特殊的混合元件5。在图12中的假想的分解图仅用于概述，并且在现实中混合元件5的不同组件不能分离。
与三通道系统不同，这种四通道系统具有管状的中间壁15，所述中间壁具有比外壁14小的直径，但是具有基本上具有相同的纵向延伸尺寸。
特别是如由图15和16所示，燃烧空气可以通过内部通道8流入燃烧室6中并通过外部通道8之一重新流出。为了改变流动方向并将向内流动的废气重新供应给燃烧空气，设有再循环器17(图17)。
当然，本发明不仅限于所示的实施例。也可以在不脱离基本构思的情况下采用其他设计方案。当然，用于带有构造成三通道系统或四通道系统的混合元件的燃烧器的氧化剂和燃料的供应必须相应地进行适配调整。此外，通道的数量不限于上面示例性示出的实施例。根据燃烧器的预先设定和应用领域，设置更多的通道也可能是合理的。
附图标记列表
1 燃烧器
2 壳体
3 燃烧管
4 开口
5 混合元件
6 燃烧室
7 中间室
8 通道
9 中间通道
10 出口
11 出口横截面
12 通道横截面
13 UV-或IR-火焰传感器
14 外壁
15 中间壁
16 流阻元件
17 再循环器

Claims (11)

1.燃烧器(1)，所述燃烧器具有壳体(2)，在所述壳体上设置燃烧管(3)，所述燃烧管(3)在背向壳体(2)的端部上具有开口(4)，在所述燃烧管(3)中设有混合元件(5)，并且在所述混合元件(5)与所述开口(4)之间的空间形成燃烧室(6)，壳体(2)具有至少两个彼此分开的通道(8)，这些通道在混合元件(5)中引出，气体流动通过所述通道(8)和混合元件(5)并且在燃烧室(6)中才进行所述气体的混合，
其特征在于，
所述混合元件(5)是通过增材式制造方法制造的并且具有至少两个分开的中间通道(9)，所述中间通道朝燃烧室(6)的方向沿流动通过方向分支。
2.根据权利要求1所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述混合元件(5)构造成一体的。
3.根据权利要求1或2所述的燃烧器(1)，其特征在于，设有三至五个中间通道(9)。
4.根据权利要求1至3中的一项或多项所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述中间通道在多个出口(10)中引出，对于至少一个中间通道，出口横截面(11)相对于通道横截面(12)减小。
5.根据权利要求1至4中的一项或多项所述的燃烧器(1)，其特征在于，每个单个出口(10)都装备有用于从混合元件(5)流出时的气体的混合、涡流和/或雾化元件。
6.根据权利要求1至5中的任一项或多项所述的燃烧器(1)，其特征在于，在出口(10)处设有漩涡元件、挡板元件、流动分离边缘、阻挡边缘、槽、混合喷嘴、混合阀和/或排气弯管。
7.根据权利要求1至6中的一项或多项所述的燃烧器(1)，其特征在于，至少一个所述中间通道(9)具有螺旋形凹槽。
8.根据权利要求1至7中的一项或多项所述的燃烧器(1)，其特征在于，所述出口(10)设置成，使得气体通过多个相对于具有能分开操控的中间通道(9)的通道横截面(12)出口横截面(11)减小的出口(10)在燃烧室(6)中实现均匀的混合。
9.根据权利要求1至8中的一项或多项所述的燃烧器(1)，其特征在于，在混合元件(5)的出口侧设有UV或IR火焰传感器(13)。
10.根据权利要求1至9中的一项或多项所述的燃烧器(1)，其特征在于，通过一个或多个所述中间通道(9)，能够使来自燃烧室(6)的废气朝壳体(2)的方向回流。
11.根据权利要求1至10中的一项或多项所述的燃烧器(1)，其特征在于，回流的废气通过中间通道(9)的壁部向朝燃烧室(6)的方向流入的气体释放热量。
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