CN1316618A - 冲天炉型高效蜂窝煤炉及炉身套群 - Google Patents

Abstract

本发明是一种热效率极高无粉尘污染的蜂窝煤炉，该炉采用焊接或铸造的筒式水套内用耐火水泥等耐火材料混合捣制成型的深气道的高炉膛，配以炉底挡风圈，能量反射器构成万用炉身，并和自动封火器，落灰器、大炉门及经济运行阻风门等组成一种万用炉；万用炉身套群是多孔的蜂窝煤炉身，是在一个水套外套内焊接任意个有炉膛内衬的万用炉身内套，万用炉身套群亦可并联、串联或混联使用，用来制造各种型号的锅炉，用于民用炊暖及各种行业。

Description

冲天炉型高效蜂窝煤炉及炉身套群

本发明的关健是用焊接或铸造的筒式水套，内用耐火水泥等耐火材料混合捣制成型的深气道的高炉膛，配合能量反射器、炉底挡风圈构成万用炉身。

万用炉身配合大炉门，经济运行阻风门，三爪落灰器或45°转角落灰器、自动封火器等组成万用炉，万用炉可并联使用以取代现有各种型号的民用锅炉，并可以实现自动供暖，自动封火，使用极为方便。

在一个水套外套内焊接多个内用耐火水泥等耐火材料混合捣制成型的深气道的高炉膛内套构成万用炉身套群，万用炉身套群的孔数任意，用来制造民用及各行各业的各种型号的锅炉，万用炉身套群的炉型也可以并联、串联或混联使用，甚至构成二合一万用炉身套群炉型用于制造各种型号的大型锅炉及工业锅炉，并且容易实现自动化。

万用炉及万用炉身套群使用配套蜂窝煤，热效率极高可达96％。

现有的蜂窝煤炊暖两用炉都是用蜂窝煤炉瓦做炉膛，炉瓦高度都在300mm左右或更低，一炉最多能装蜂窝四块，而且为了提高炉膛温度，输出较大的功率以及封火时保存热量，炉瓦周围都填充保温绝热材料，水套则设在炉瓦的上部，用煤在炉膛内燃烧产生的热气流通过各式的水套表面直接烘烤水套进行热交换，输出热能。而作饭时只需改变气流通道。

现有的蜂窝煤炊暖两用炉存在以下缺点：

1、由于炉膛较浅，一次只能装生煤1～2块，如果装生煤3块，留一块火底，火力恢复较慢，所以在供暖时，每隔2小时左右，取灰续煤一次，由于周期短，必须专人照看，望记照看就会灭火，甚至火力很难恢复。

2、做饭时火力不旺，原因是：第一，燃烧的煤和炊具之间被水套隔开，拉开一定的距离。第二，虽然都采取一定措施改变热气流通道，但裸露的水套及换热气流部件还是会吸收传出相当的供暖热量，而影响做饭时的火力。

3、热交换水套较浅，热气流通过热交换水套时间很短，大部门热量被烟囱抽走，所以热效率较低，因为水套不能太深，太深将影响做饭，而失去炊暖两用的意义。

4、炉具的利用率较低，因为人们白天要工作，晚上要休息，没有时间昼夜不停，总是在家照看锅炉去烧暖气，炉具大部分时间处于封火状态。

GB6412炉具的实验方法中3.2多次使用(封火)连续燃烧实验摸拟了居民的用火方法及炊事习惯，每次实验为2天，具体时间为：

a．早上，第一天5:30点火，用火至7:300封火，第二天6:30打开炉门用火，7:30封火。

b．中午，11:30打开炉门用火，13:00封火。

c．晚上，17:00打工炉门用火，19:30封火。

由此可以看出，一昼夜24小时，用火时间7小时，封火时间17小时，炉具利用率为29％。

为了克服上述缺点，本人通过近2年的专职设计研究，无数次的实验、测量、改进，最后定型设计出这种现代冲天炉型高效蜂窝煤万用炉及万用炉身套群。

之所以取这个名字是因为它的外型、装煤方式及燃烧方式摸拟了最先进的现代冲天炉，高效：热效率高达96％，本炉热效率之高叫人难以置信。但实验结果证明这是事实1万用的含义之一：由于本炉身使用的是型煤，任何种类的烟煤、无烟煤、褐煤等都可以以适当的比例参与配制蜂窝煤，换句话说就是只要是煤都可以成为配制蜂窝煤的原料，所以万用炉身从燃煤类型上可以说是万用。万用的含义之二：由于本炉身热效率极高，使用方便，成本低，有很高的使用价值和推广价值，可以由多个炉子根据需要进行并联或者在一个大的水套外套内焊接多个有内衬的深气道的高炉膛组成一个高效的蜂窝状的蜂窝煤万用炉套群。万用炉身套群的孔数任意，同时可以串联、并联或混联使用，而取代现有技术的各行各业的各种型号、规格的锅炉。所以万用炉身从炉子的类型上可以说是万用。因此，我把这种热交换炉身称为万用炉身，把这种炉子称之为万用炉，把这种蜂窝状的炉身套群称为万用炉身套群。

以下分几个方面介绍万用炉的特性：

一、万用炉身：即高炉膛水套，深气道的有效热交换炉身和炉底挡风圈、能量反射器组成的组合体，称为万用炉身。

有效炉身是用焊接或铸造的筒式水套，内用耐火水泥等耐火材料混合捣制成型的深气道的高炉膛，构成一个整体的有效热交换炉身(或用特制加长的深气道的蜂窝煤炉瓦镶嵌在水套内，水套和炉瓦之间填充导热性能较好的价格便宜的材料车削铁沫，但效果较差)水套和外壳之间填充隔热阻燃材料(酚醛泡沫塑料)，大中型的锅炉可以在一个水套外套内焊接多个有内衬的深气道的高炉膛，组成一个高效的蜂窝状的蜂窝煤万用炉身套群。

能量反射器和炉底挡风圈能够进一步提高有效热交换炉身的效率，使之成为高效的热交换炉身，即万用炉身。几种常用的本人推荐的万用炉身形状如图1所示，尺寸如表1所示。表1

型号	a01	a02	a1	a2	a3	a4	h
								F108	112	116	108	158	198	238	600
F126	130	134	126	180	220	260	690
								Y120	φ01	φ02	φ1	φ2	φ3	φ4	h
124	128	120	178	218	258	600

1、高炉身的作用

发明之一：蜂窝煤全水套高炉身

有效炉身愈高一次装煤量愈大，这是因为愈底层的煤块M_n燃烧产生的热气流通过的有效炉身就愈长，传向水套的热能也就越多，同时M_n燃烧产生的热也被它上边的煤M_n-1…M₂、M₁及下边的煤M_n+1所吸收储存，并以热辐射的方式传向上下相邻煤块及炉膛--水套，并且不同高度的煤块吸收的M_n的热能M_Q的关系为M_Q-1＞*M_Q2＞M_Q1。因此，愈底层的煤燃烧产生的热效率就愈高。

实验证明，煤在从底层数第二块的位置燃烧产生的热效率最高，因为它向下辐射能量被最底层的煤或灰所吸收，而辐身向煤膛，同时将空气预热，使它的燃烧率提高。

实验证明，在有效炉身内不同深度的煤燃烧产生的热效率如图2所示，由图可见，如果采用现有的蜂窝煤炉瓦深度，平均热效率很低，增大有效炉身高度会明显提高炉子的平均热效率。但是作为炊暖两用有效炉身的高度不能无限度的增加，他受到下面诸因素的限制。

a．有效炉身太高，续煤、做饭都不方便。

b．有效炉身的高度应该与炉子高速运行时的自动供暖周期和一日三餐的时间相吻合。

综上几项因素，选定民用炊暖用有效炉身的高度为600mm左右，而单一供暖有效炉身高度可适当增加。

2、深气道的作用

发明之二：深气道炉膛

在保证蜂窝煤在炉膛内准确定位的情况下加大炉膛尺寸的办法只有加深气道，较深的气道能使热气流畅通，减少由于装煤多对热气流的阻力，有利于形成热气流的炉壁效应，同时增大了炉膛的有效热交换面积，使热气流在气道内停留的时间增长，热效率提高，有效供热功率也增加。

通过实验，选定气道深10mm左右。

为了详细的说明万用炉的性能，本说明书对能够提高热效率的每一项发明都例举了代表性实验或作了理论分析。

实验一：

使用大风门对高600mm，气道深10mm的有效炉身进行一次使用不封火实验，一炉装7块Y120，高80mm的蜂窝煤，煤的发热量19MJ/kg，灰份Aad=37.4％，见附件“蜂窝煤检验报告”。

另外本说明书所有实验均使用该批蜂窝煤，单块重1.04kg/块。

实验测得的数据如表2所示，由表2数值画出的功率输出曲线P-t曲线如图3所示。

                                                        表2

时刻t	0:00	0:30	1:00	1:30	2:00	2:30	3:00	3:30	4:00	4:30	5:00	5:30	6:00	6:30
															A(kg/min)		1.4	2.0	2.4	2.7	2.9	3.1	3.2	3.0	2.8	2.5	2.0	1.5	0.8
T2℃	31	39.5	47	55	62	67.8	72.5	75	74	71.5	67	60	51.5	44.5
															T1℃	31	33	35	40	46	50.5	54.2	57	57	56	54	50	46	42
P(KW)		0.68	1.68	2.52	3.02	3.51	3.97	4.03	3.57	3.04	2.28	1.4	0.58	0.14

由图3p-t曲线可以用图像法计算出，Q热=ΣP·Δt=15.2kwh，而7块煤的总发热量Q总=1.04kg/块×7块×19MJ/kg=138320KJ=38.4kwh，所以热效率η=15.2/38.4=40％。

本说明书的实验方法和原理见说明书附件。

3、能量反射器

发明之三：能量反身器

由于蜂窝煤的气孔是直通向上的，煤燃烧产生的高温热气流大部分将顺孔向上通过炉口排出，而炉膛吸收的只是煤周围辐射的能量及外围煤燃烧产生的热气流的部分能量。

使用能量反射器必须使用杨氏蜂窝煤或把现有技术的蜂窝煤外围孔眼和煤边缘之间刮开一个缺口，使得煤燃烧产生的热气流及火焰能够通过该缺口喷向炉膛气道。

能量反射器是用耐火材料制成的厚10mm左右的蜂窝煤大小的薄片。

能量反射器的作用：1、能阻挡气孔中直通向上的热气流使之反射改变方向，从外围孔眼缺口处喷向炉膛气道，直接喷烧炉膛--水套。另外，由于热气流是从煤块外围缺口处喷出，所以煤的外围温度升高，热辐射能力增强。2、能吸收燃烧的煤辐射的热能，提高自身能量，反过来把能量辐射向煤块，使煤块温度升度，向炉膛辐射的能力进一步增强。

实验二：

使用能量反射器、大门风对高600mm，气道深10mm的有效炉身进行一次使用不封火实验，一炉装80mm高的蜂窝煤7块，测得的数据如表3，画出的功率输出曲线如图4所示。

                                                       表3

时刻	0:00	0:30	1:00	1:30	2:00	2:30	3:00	3:34	4:00	4:30	5:00
												A(kg/min)		1.3	2.2	2.5	2.7	2.8	2.8	2.8	2.8	2.7	2.65
T2℃	27	42	45.5	53	59	64	67	69	69	68.5	68
												T1℃	27	29	33	37	43.2	48.5	51	53	54	54	54
P(KW)		1.18	1.9	2.8	2.99	3.04	3.14	3.13	2.94	2.74	2.6
												时刻	5:30	6:00	6:30	7:00	7:30	8:00	8:30	9:00	9:30	11:00	12:30
A(kg/min)	2.6	2.5	2.45	2.35	2.25	2.15	2.0	1.95	1.8	1.6	1.35
												T2℃	67	65.5	64	62.5	60.8	59.5	57.5	55.8	54	50	45
T1℃	54	53	52	50.5	49.8	49	48	46.8	46	43	40
												P(KW)	2.32	2.19	2.06	2.0	1.73	1.58	1.33	1.23	1.01	0.78	0.47

从图4P-t曲线可以看出，周期为12h，Q_热=ΣP·Δt=22kwh，而7块煤的总发热量Q_热=38.4kwh，所以热效率η=22/38.4=57.3％。

比较图3和图4的热效率可以看出，使用能量反射器热效率提高了(57.3-40)+40=43.25％。

4、炉底挡风圈

发明之四：炉底挡风圈

由于使用能量反射器，使得煤燃烧产生的高温热气流及火陷只能从煤孔缺口处喷向炉膛气道，由热力学知识可知，温度愈高的热气流密度愈小，在气道内上升的速度就愈快，由流体力学知识可知，流速愈快处则压强愈小，因此，在炉膛和煤之间形成的气道及空间形成了高温度、高流速、低压强的区域，由于低压强的作用，这时在炉膛气道底部就会吸入大量的不供燃烧的冷空气，冷空气的介入会降低炉膛气道及煤的温度，同时会带走大量的热能，使煤的热辐射能力和热气流的热交换能力减弱，热效率降低，输出功率减小。

通常炉底挡风圈和炉底座连体成为一体。

炉底挡风圈的作用是挡住炉膛气道底部的冷空气入口，使得供燃烧的空气只能从底部煤孔进入，喷射到炉膛气道内的火陷及热气流在气道内向炉壁传输热量，降低温度，缩小体积，降低流速，停留较长时间，最后从炉口气道处排出温度较低的流速较慢的废气。使用炉底挡风圈能使废气排量大幅度减少，废气温度明显降低，热效率和输出热功率明显提高。

使用能量反射器，同时使用炉底挡风圈的有效炉身即为万用炉身。

实验三：

用大风门对上述万用炉进行一次使用不封火实验，一炉装7块Y120，高80mm蜂窝煤，测得的数据如表4所示，输出功率曲线如图5所示。

                                                          表4

时刻	0:00	0:30	1:00	1:45	2:00	2:16	2:30	3:00	3:30	4:00
											A(lg/min)		1.85	2.55	2.95	3.05	3.1	3.05	3.1	3.1	3.1
T2℃	32	43	51	64	67.6	70	71.5	73.2	74	74
											T1℃	32	33	36	46.6	49.8	52	53	55.4	56.8	57
P(KW)		1.29	2.68	3.59	3.8	3.91	3.95	3.86	3.73	3.69
											时刻	4:30	5:00	5:30	6:00	6:30	7:00	8:00	9:00	11:40
A(kg/min)	2.9	2.8	2.75	2.6	2.5	2.45	2.3	2.0	1.25
											T℃	73.4	72.6	69.8	67	66	64	61.8	57	44
T2℃	57	57	55	53.5	52.8	51.5	50	48	39
											P(KW)	3.33	3.06	2.85	2.46	2.31	2.14	1.77	1.26	0.44

从图5P-t曲线可以看出，周期亦为12h，和只使用能量反射器相同。Q_热=ΣP·Δt=26.8kwh，所以热效率η=26.8/38.4=70％。

比较图3、图4和图5的P-t曲线的热效率可以看出，使用能量反射器同时使用炉底挡风圈比只使用能量反射器热效率提高(70-57.3)+57.3=22％，比不使用能量反射器和炉底挡风圈热效率提高(70-40)+40=75％。

实验证明：使用能量反射器和炉底挡风圈的万用炉废气排放量很小，输出4kw纯热功率时，距炉口1m高烟囱口只需4cm²就能满足废气的排放，废气温度也低，本实验为7块煤的周期，开始时废气温度70℃，最后也才250℃，这一点也能说明万用炉的高效率。

本实验使用的7块煤重1.04kg/块×7块=7.28kg，灰分7.28kg×37.4％=2.723kg，实际称得7块煤灰重3.44kg，则燃烧率为：k=(7.28-3.44)/(7.28-2.723)=84.3％。

二、经济运行阻风门

发明之五：经济运行阻风门

由于万用炉身整个高度都是水套，具有较强的吸热热交换作用，使得该炉身不能处于封火状态，这也是现有技术的蜂窝煤炊暖两用炉炉瓦周围不敢设水套，并加保温材料的根本原因所在。

由于万用炉身的特殊设计是将煤燃烧产生的火焰及热气流喷向炉膛气道，所以该炉可以在较低的燃烧速度下进行，正常一炉煤的低速运行周期可达21h，低于这个运行速度，由于水套的强吸热作用可能会把火吸灭。

由于能量反射器和炉底挡风圈的共同作用，万用炉身需要的空气量很少，即少量的空气进入就会产生较强的功率。

经济运行阻风门的作用是调整进风量，根据室温的高低或自已的需要控制燃烧速度，即控制输出功率。

实验四：使用小风门对万用炉身进行的一次使用不封火实验。测得的数据如表5所示，图6是相应的功率输出曲线。

                                                    表5

时刻	0:00	0:30	1:00	1:30	2:00	3:00	3:30	4:00	4:30	5:00	5:30	6:00	6:30	7:00
															A(kG/min)		1.8	2.35	2.35	2.5	2.6	2.5	2.45	2.45	2.45	2.4	2.45	2.4	2.4
T2℃		51	56.5	57	58	59	59	59	59	58.8	58.8	58	57.5	57
															T1℃		43	44	44	44.5	45	45	46	46	46	46	45.5	45	45
P(KW)		1	2.06	2.13	2.36	2.55	2.45	2.23	2.23	2.20	2.15	2.14	2.1	2.02
															时刻	7:30	8:00	9:00	10:00	10:30	11:00	12:10	13:00	14:00	15:45	17:10	18:00	19:00	20:00
A(kg/min)	2.35	2.33	2.3	2.2	2.2	2.15	2.15	2.1	2.0	1.85	1.7	1.6	1.5	1.3
															T2℃	57	56.5	56.5	55	55	54.5	53	52	51	49	46	44	42	40
T1℃	45	44.5	44.5	43.5	43.5	43.5	42	41.8	41	40	38	37	36	35
															P(KW)	1.97	1.96	1.93	1.77	1.77	1.66	1.66	1.50	1.4	1.17	0.95	0.78	0.63	0.48

从图6可以看出，该小风门的运行时周期为19h,Q_热=ΣP·Δt=32kwh，则η=32kwh/38.4 kwh=83.3％。

图6和图5相比，都是一次使用7块煤，由于风门大小不同周期分别为19h和12h，热效率分别为83.3％和70％。使用小风门时万用炉身的热效率比大风门时热效率提高(83.3-70)+70=19％。

本次实验中，距炉口1m处烟囱口始终使用2cm²废气口，炉口废气温度开始时58℃，周期末为190℃，废气量之小，废气温度之低，说明热效率之高。

实验证明：在能够正常运行的情况下，风门愈小，输出功率愈小，但热效率反而愈高，这就是经济运行阻风门和一般炉具风门调整的本质的区别，因此，我把这个控制燃烧速度的风门叫做经济运行阻风门。

另外，本实验使用的7块煤重1.04kg/块×7块=7.28kg，灰份7.28kg×37.4％=2.723kg，最后称得煤灰重3.3kg，则燃烧率为k=(7.28-3.3)+(7.28-2.723)=87.7％。

三、万用炉的炊事功率

实验五：模拟人们的炊事习惯，早7点，取一块底火加6块生煤，自动封火器加煤2块，实验用煤Q_net=19MJ/kg，对万用炉开始供暖和炊事火力试验测得的数据为：8点P=2.4KW；9点，P=4KW；10点，P=4.5KW；11点，P=4KW；12点，P=3.5KW；下午1点，P=2.9KW；1点半，P=2.6KW。在12点时，取出自动封火器及2块生煤，取出能量反射器开始炊事火力试验，本实验使用重2.4kg高压铝锅，铝的比热为0.88cal/g.℃=3.696J/g.℃，内装7kg水，水的比热为1cal/g.℃=4.2J/g.℃，实验结果，水及铝锅的平均升温速度为2℃/min，由此可以计算出炊事功率P_炊=2400g×3.696J/g℃×2℃/60s+7000g×4.2J/g℃×2℃/60s=1276W=1.276W。

实验结论：万用炉在同时输出3.5～2.6KW的供暖功率的同时，炊事功率为1.276KW。

对比实验1，使用相同的煤，铝锅及同样重量的水用普通单炊蜂窝炉进行试验，测得水及铝锅的升温速度为1.833℃/min。计算得出：P_普炊=1189W=1.189KW。

对比实验2，使用1KW电炉用同样的铝锅及水重试验，测得水及铝锅的升温速度为1.0526℃/min。计算得出P_电炊=683W=0.683KW。

对比实验结论：万用炉的炊事火力相当于1×1.276+0.683=1.868KW的电炉的炊事火力，比普通单炊蜂窝煤炉炊事火力提高(1.276-1.189)+1.189=7.3％。

四、自动封火器

发明之六：自动封火器

对于实际使用中的民用炊暖两用炉，人们可能由于种种原因，在自己设定好的一个自动供暖周期完成后，忘记照看或不能回家照看续火进入下一个自动供暖周期时，自动封火器能自动封火长达10小时而不灭火。自动封火器只适用于民用炊暖两用的万用炉。

自动封火器是用一节较短的能装2块蜂窝煤的特制的炉瓦，镶嵌在一个特制的炉套内，炉套和炉瓦之间填充保温材料，炉套顶加盖一个有小孔的炉盖，如图7所示。

当万用炉身内的煤最后一块火力最旺时，可把自动封火器下边的一块煤引燃，但由于气流不畅通，燃烧的废气只能从小孔排出，炉子便处于自动封火状态，顶盖小孔的大小决定自动封火时间的长短。万用炉身配合具有大炉门及经济运行阻风门的炉底座、落灰器、炉头、自动封火器等便是万用炉。万用炉结构如图8所示。

五、万用炉的续煤落灰周期

续煤和落灰的周期是根据不同的运行状态和运行方式为测定、分析和研究炉具的使用性能而确定的周期，从而确定实用中不同使用的万用炉身的续煤落灰周期。

万用炉一次使用自动封火器封火时的周期最长，本人在实验中使用Y120,h80蜂窝煤每个周期耗煤7块，风门最大时周期为12h，风门最小并能正常运行不灭火的周期为21h，另外自动封火器还可自动封火长达10h。

由于能量反射器的作用，使得愈接近能量反射器的煤燃烧的速度愈慢，灰化时间愈长。

实验测得：不同落灰、续煤量的周期及不同高度的煤块灰化时间如表6所示：

                                                    表6

从底层数第n块n	灰化时间T(h)	耗煤(块/周)	周期(h)最大风门～最小风六
				7	4～5	7	12～21
6	2.5～4	6	8～16
				5	1.5～3	5	5.5～12
4	1～2.5	4	4～9
				3	1～2.5	3	3～6.5
2	1～2	2	2～4
				1	1～2	1	1～2

使用不同的蜂窝煤型煤高度及类型，落灰、续煤周期有所不同。

六、万用炉的最大输出功率

万用炉的输出功率和炉子的孔径、燃煤的类别即发热量、煤的燃烧率、炉膛形状、送风条件及落灰、续煤周期及时间等因素有关。

使用大风门万用炉的热效率最高时输出功率也最大，前边巳提到，万用炉身内煤的燃烧在从底层数第2块产生的热效率最高，功率也最大，因此只要选用1块煤的周期，落灰时底层留一块将要燃尽的煤灰，即能保证这一点。

实验六：

测试万用炉的最大输出功率，使用上述标准的蜂窝煤对万用炉测试，将正常运行的万用炉落灰、续煤至底层留一块将要燃尽的煤，然后每小时落灰续煤一次，测得数据如表7所示：

                                                   表7

时刻(t)	0:00	0:30	1:00	1:30	2:00	2:30	3:00
								废气温度(T)	122	89	79	88	90	79	91
T2℃	75	77	78	79	79.5	80	80
								T1℃	57	58	59	60	60.5	61	61
A(kg/min)	3.25	3.4	3.36	3.4	3.37	3.41	3.37
								P(KW)	4.10	4.52	4.47	4.52	4.48	4.54	4.48
备注	落灰2块		落灰1块		落灰1块

从表7可以看出取1:00～2:30四次测量结果，求平均值可得万用炉的最大平均功率P_max=4.5KW，则每小时输出热能4.5kwh，由于每小时续煤一块，则1h的发热量即为1块煤的发热量1.04kg/块×19MJ/kg=19760KJ=5.49kwh。此时热效率η=4.5/5.49=82％。

实验结束后，称得5块相关煤灰重2.47kg，平均0.494kg/块，由于煤的灰份为37.4％，所以平均每块灰分为0.39kg，则燃烧率(1.04-0.494)+(1.04-0.39)=84％。

本实验是用丙类发热量为Q_net=19MJ/kg，蜂窝煤测得的最大平均输出功率，如果使用GB/T1393-92乙类或甲类煤输出功率会相应增加，使用较大断面的煤型最大平均功率也会相应增加。

表8是使用大风门自然风的实验结果以及根据实验结果计算得出的数值。

                                                      表8

七、万用炉的热效率

综合实验三、实验四、实验五以及本人对不同落灰、续煤周期不同风门的平均功率及效率的实验测定(由于实验方法相似，计算方法相同这里不再一一列举)，万用炉的热效率范围如表9所示：

                                                     表9

耗煤量(块/周)	热效率η(％)风门最大～风门最小
		7	70～83.3
6	76～84
		5	78.5～84.6
4	80～85
		3	81.3～85.5
2	82～85.8
		1	82.6～86

根据表9画出万用炉的热效率范围如图9a斜线区域所示：

八、杨氏蜂窝煤

发明之七：杨氏蜂窝煤

现有技术的蜂窝煤炉都需要炉膛的保温性能，即保温性能愈好的炉体散热损失愈少，热效率也愈高，大家都知道，同样的面积，圆形周长最小，园形炉膛的散热面积也就最小，所以现有技术的蜂窝煤炉具大都采用圆形，是有一定科学道理的。

燃用蜂窝煤的万用炉身需要炉膛的热交换性能，即在保证燃烧的煤在炉膛内能够正常燃烧的情况下，炉膛的热交换性能愈好，排出的废气温度就愈低，热效率就愈高，输出功率就愈大。大家都知道，同样面积的多边形中正方形周长最长，所以，燃用蜂窝煤的万用炉身最好采用正方形炉膛，使用俯视正方形蜂窝煤，使用俯视正方形蜂窝煤有如下优点：

1、喷射的火焰及高温气体易对准气道，即对准炉膛内衬最薄处，见图1c，使热效率进一步提高。

2、正方形炉膛周长增加，即热交换面积增加，热效率提高。

3、易对孔装煤，煤内气流畅通，使得炉膛内同时燃烧的煤的块数增加，输出功率增加。

4、可减小万用炉身套群的水套体积，即锅炉的体积，使大型锅炉小型化。

俯视方形杨氏蜂窝煤应用于大，中型锅炉及工业锅炉除了他极高的热效率、很小的体积、很低的造价以外还很容易实现无人操作，全自动运行，即自动续煤、自动落灰、自动温控，配合自动蜂窝煤机，人们只需要编排电脑程序。

由于万用炉身内蜂窝煤的燃烧方式及热交换方式和现有技术的蜂窝煤炉具截然不同所以万用炉身使用的蜂窝煤不管是圆形还是俯视正方形，外围孔眼必须都有喷射火焰及高温气体的喷射口，把这种蜂窝煤称为杨氏蜂窝煤。

图10a、图10b、图10c、表10是本人推荐的Y120、F108、F126的几种尺寸的典型的蜂窝煤形状和尺寸，F108和Y120断面尺寸相当，F126和现有标准的Y140断面尺寸相当。                                                       表10

代号	直径φ或边长a(mm)	高度L(mm)	孔径d(mm)	孔边距b(mm)	内孔距c(mm)	孔数n	开孔率％
								Y120	φ=120	70 80	16	6	11	12	21
14	6	9	16	22
					F108	a=108	70 80				14	6	13.3	16	22
F126	a=126	70 80	16	8				14.7	16	21

Y120和F108煤型应用于民用单孔的万用炉，一般不应用于万用炉身套群炉型，虽然Y120和F108相比存在一定的缺点，但由于Y120万用炉在自然风运行的情况下也能达到热效率极限，所以还是有一定的使用价值。由于俯视正方型炉膛和圆型炉膛相比还有上述四条优越性，所以还有很大的输出功率潜力可挖，即大型锅炉的扇风输出功率可成倍增加

Y140一般不被采用，可被F126取代，F126应用于各种炉型尤其是万用炉身套群炉型，更大的或最佳的蜂窝煤尺寸还有待于实验研究，因为蜂窝煤断面面积和边长关系为S=a²，即对一定高度的炉身、边长的增加(即炉膛有效热交换面的增加)，会引起蜂窝煤断面面积(或炉膛内煤的重量以平方的速度增加)，由此看来，对于大功率的锅炉增加孔数要比增大炉膛面积更为有利。炉膛内套的有效热交换面积和蜂窝煤炉膛内体积之比是多少最好，有待实验研究，本人设计的说明书中的Y120和F126的S/V均为0.5。

蜂窝煤的燃烧率和杨氏蜂窝煤的设汁原则：

蜂窝煤的燃烧率和型煤的原料配比，开孔率、孔位分布合理性以及煤间透气性等因素有关，本说明书的实验使用的是GB/T13593-92 Y120蜂窝煤，由于孔位分布不合理，致使燃烧率很低，该蜂窝煤的燃烧率较低的原因并不是由于万用炉的燃烧方式不同所引起，通过在普通蜂窝煤单炊炉内作燃烧率对比试验，测得剩余煤灰平均单块重0.49kg，即燃烧率k=(1.04-0.49)+(1.04-1.04×37.4％)=84.6％。

GB13593-92没有对蜂窝煤孔位分布的合理性和蜂窝煤在特定的炉膛内(国标应规定一个具有一定保温性能的炉膛)的燃烧率作出规定，因此，造成现有多数蜂窝煤燃烧率很低，大量的煤炭资源浪费。杨氏蜂窝煤的设计原则是追求极高的燃烧率，除特殊的火焰及热气流聚集腔和喷射口两项设计外，还应满足下列原则：1、外围孔眼之间的间距相等；2、外围孔眼距边缘的距离较小，一般6～8mm；3、孔数及孔位分布符合煤在炉膛内的燃烧规律；4、杨氏蜂窝煤打破GB/T13593-92.5.1.7的规定，甲类热值的煤不得生产乙类热值的蜂窝煤，以下类推。讲究煤类的配比在孔数孔位分布合理的情况生产出的蜂窝煤在有效炉身内的燃烧率大于98％。

另外，杨氏蜂窝煤的火焰聚集腔和喷射口也增加了煤间透气性，有利于提高蜂窝煤的燃烧率。

分析图10b、Y120、12孔杨氏蜂窝煤和图10c、Y120、16孔杨氏蜂窝煤可以看出，图10C的孔数、孔位分布更具合理性。

蜂窝煤的燃烧规律：

蜂窝煤在任何蜂窝煤炉膛内燃烧时都是蜂窝煤的中间部位温度较高，而外围温度较低，如图11所示：

由于煤在相同供氧条件下，温度愈高处燃烧速度愈快，所以合理的蜂窝煤孔位分布应该是外围开孔率较高，内部开孔率较低，以达到整块蜂窝煤同时燃尽的目的，均匀分布蜂窝煤开孔率会造成中心部位先燃尽，孤立的外围燃煤会温度更低，在冷空气的作用下燃点较高时会自动息灭，形成外围夹生现象另外，外围孔位分布不均会造成夹生煤柱，这是现有蜂窝煤存在的弊病，全国之大、浪费之严重。因此，修改GB/T-13593-92。并对蜂窝煤的孔数、孔位分布及燃烧率作出规定意义重大。

使用杨氏蜂窝煤对万用炉输出功率及热效率的理论修正。

本说明书中的实验是使用发热量为19MJ/kg，灰份37.4％，燃烧率在84.3～87.7％的情况下进行的，如果使用同类的杨氏蜂窝煤，燃烧率提高到98％以上，则万用炉以上几项实验的功率和热效率就会相应提高，提高后的数值见对照表表11所示，修正后的万用炉热效率范围如图9b斜线区域所示。

                                                        表11

实验内容	使用同类煤Qmax=19MJ/kg    灰份37.4％单块重1.04kg/块
							说明书中实际实验数值			使用杨氏蜂窝煤的计算数值
	燃烧率K％	热效率η％	备注	燃烧率K％	热效率η％	备注
							实验三、表4、图5	84.3	70		98	81
实验四、表5、图6	87.7	83.3		98	93
							实验六、表7	84	82	Pmax=4.5KW	98	95.7	Pmax=5.25KW
表9	84	82.6～70	风门最大	98	96.4～81.7	风门最大
							87.7	86～83.3	风门最小	96.1～93.1	风门最小
	表8	k％	F108、Y120Pmm		F126Pmm	k％						F108、Y120Pmax(KW)	F126Pmax(KW)
84				4.0～5.4			5.5～7.4	98	4.7～6.3	6.4～8.6

九、蜂窝煤落灰装置

发明之八：圆形蜂窝煤三爪落灰器，如图12所示

由1件带三个弧形滑槽和三个垂直凸块的转盘、3个卡爪、3支螺栓轴组成，用螺栓轴分别将三个卡爪和转盘固定在炉底座下面，转动转盘板手一个角度，三个垂直凸块就会拨动三个卡爪分别以三个螺栓轴为中心转动，把煤灰松开，煤及灰自由下落一块蜂窝煤高度至辅助落灰架，将板手扳回原位，又将煤及灰卡住，推出落灰，即完成一次落灰。

发明之九：俯视正方型45°转角落灰器，如图13所示

用三条螺栓轴将带有四个凸角的转盘定位于炉底座下面，正常工作时四个凸角支撑煤及灰的四个角，落灰时只需将转盘扳手转动45 °即可对煤及灰失去支撑作用，炉膛内的煤及灰自由下落一块蜂窝煤高度到辅落灰架，将扳手转回原位，落灰器的四个凸角正好进入煤及灰的四个角的喷口，重新支撑炉膛内的煤及灰，推出落灰，即可完成一次落灰。

以上两种落灰方式简单实用，整个过程只需2秒钟即可完成，不仅对于小型万用炉的手工落灰方便自如，而且对大中型锅炉很容易实现机械化落灰，甚至落灰自动化。

十、万用炉身套群炉型的落灰装置

该落灰装置可分为三部分组成：

1、转角45°落灰器连杆组合，如图12所示，将所有炉孔底部的落灰器板手用螺栓轴和2条长拉板a连接，四条短拉板b和横拉杆c、d，也按图14用螺栓轴连接，长钢丝绳e一端固定于横拉杆c中间点，再绕过滑轮g至滑轮h，绕滑轮h一周另一端固定于双槽滑轮h一边，短钢丝绳f一端固定于横拉杆d中间点，在另一滑槽反向绕滑轮h一周固定于滑轮h另一边，滑轮h上固定扳手M，板动M一个角度即可使所有炉膛的煤及灰下落一块蜂窝煤高度至辅助落灰架，扳回原位即可对所有炉膛的煤、灰进行支撑。

2、辅助落灰架闸门组合

对应每孔位落灰位置设转轴落灰闸门一扇，两排闸门分别用两条长拉板和螺栓轴相连，扳动拉板杠杆扳手所有闸门关闭，对落灰起支撑作用，放下闸门拉板杠杆扳手落灰便可全部落入灰膛。

落灰闸门的双重作用：落灰闸门除对落灰的辅助支撑外还有另外的重要作用，关闭闸门，调整风扇风量可使锅炉输出需要的较大的功率，关闭风扇及风扇风门，调整闸门开启角度，可使锅炉自然风最低速运行或经济运行。同时也能对落灰起辅助支撑作用。

3、灰膛清灰部分

按下清灰按钮，处于灰膛一端的推灰板在电机带动下将全部落灰推入另一端的灰斗，然后自动回到原位。

本落灰装置是最简单的手动落灰，当然可以用电动代替手动甚至用传感器和微机相连，实现自动落灰、自动清灰、自动续煤、自动温控的全自动化。

本落灰装置是本人设计的第一种落灰方法，随着万用炉身套群炉型的推广应用，人们还可以设计出更巧妙的落灰方法。

十一、万用炉及万用炉身套群的送风

由于万用炉身排出的废气量很少，即用风量很小，因此对送风很敏感，作为民用的炊暖两用炉只采用自然风，除非做饭时，稍微鼓风，火势就会冲出炉口，炊事火力强劲，但供暖热效率就会下降，因此，民用炊暖两用炉一般不需外加送风，炊暖两方面均可满足使用。

对于较大的万用炉身套群，如20孔F126自然风单孔功率7KW，总功率140KW的万用炉身套群炉型，只要采用50W的噪音很小的台扇扇风输出功率就会成倍增加，增加到15KW/孔，因此使用风扇扇风的非自动的万用炉身套群炉型须专人照看，及时落灰使锅炉工作在热效率最高、功率最大的状态，并用风扇调速控制炉口废气温度在一定的范围，防止火势冲出炉口，热效率下降。

对于大型的二合一万用炉身套群的炉型，可以采用较强的风扇风速，这时单孔输出功率可由7KW上升到20KW～30KW，及时落灰，风扇调速控制废气温度同样也很重要。

十二、高效蜂窝煤万用炉及万用炉身套群的应用

由于各种类型及各种等级的烟煤、无烟煤、褐煤等(只要是煤)均可按适当比例参与配制万用炉身用的蜂窝煤，由于蜂窝煤中的添加剂。白灰、粘土等有固灰造渣作用，同时大型锅炉省去了大功率鼓风机，烟尘排放很少，有利于环境保护，减少大气污染，所以万用炉及万用炉身套群有很高的推广使用价值。

由于万用炉身套群炉型体积小，仅是相同功率的卧式锅炉的1/3，因此，造介也低，也是卧式锅炉的1/3左右，所以有很高的经济使用价值。

由于万用炉身的热效率极高可达96％，可以说达到了热效率的极限，如果在我国全部推广使用，平均每年可为我国节约大约40％的煤炭，如果全球推广使用，可使人类的煤炭消耗速度降低近一半，因此在民用、各行各业及工业推广使用高效蜂窝煤万用炉及万用炉身套群炉型，对于保护人类有限的煤资源意义重大。

1、民用炊暖：

可根据采暖面积或自己的需要使用一个、二个或多个万用炉并联使用，灶眼过多无关紧要，因为由于炉底挡风圈和能量反射器的共同作用，万用炉单独供暖的热效率比炊暖两用热效率还高。

2、集体、宾馆、饭店、企事业单位供暖：

可根据负荷的大小灵活运用，负荷较小时可采用孔数较少的(20孔以下的)万用炉身套群的炉型，负荷较大时可采用孔数较大的(20孔以上的)万用炉身套群的炉型，负荷再大时，甚至几个万用炉身套群炉型并联使用。20孔万用炉身套群炉型见图15所示。

3、工业锅炉：

万用炉身应用于工业，可以有力的发挥他的高效、节能的优势，加上适当的扇风，单炉孔输出功率会成倍的增加，采用扇风的万用炉身套群，煤的燃烧速度也会成倍增加，排出的废气温度也会升高，这时效率会降低。所以，为了提高热效率万用炉身的高度还要增加，或者采用二合一万用炉身套群。二合一万用炉身套群是把两组相同孔位的万用炉身套群合二为一，使有效炉身的高度增加一倍，但两个炉身套群又相互独立、串联使用，而水的循环则采用先上炉身套群，后下炉身套群，都采用顺流换热方式，之所以采用这种循环方式是因为上万用炉身套群炉膛温度低，可作为预热用水套，因为这样可加大炉膛和水套的温差，所以热效率较高，排出的废气温度较低。另外，煤的燃烧主要集中在下万用炉身套群，而做为预热的上万用炉身套群可以不设内衬，但内套必须轧制成相应的深气道的内套，这样热效率会更高，输出功率潜力会更大。

随着万用炉身的推广和普及，炉膛内套用轧制成深气道的异型内管并用耐火材料和耐火水泥等捣制成相应的深气道的炉膛，有效热交换面积会更大，热效率会更高，输出功率潜力会更大，效果会更好。

发明之十：

万用炉身套群、二合一万用炉身套群、炉膛内套用轧制成深气道相似内管的万用炉身套群，以及二合一万用炉身套群用的不带内衬的深气道异型管万用炉身套群。

在杨氏蜂窝煤未推广使用之前，现有标准的蜂窝煤同样适用于万用炉的民用炊暖，但必须在煤外围孔眼和煤边缘之间用废钢锯条等刮开一个缺口，使得煤燃烧产生的热气流能够通过该缺口喷向炉膛气道，这项工作很简单，就象人们平时续煤前捅煤孔一样，一炉煤整个过程只需2分钟。

图1a为万用炉身示意图，图1b为园形万用炉身横截面示意图、图1c为正方形万用炉身横截面示意图

图2为有效炉身内不同深度的煤燃烧产生的热效率曲线图

图3为用大风门对有效炉身进行一次使用不封火实验的功率输出曲线图

图4为用大风门、能量反射器对有效炉身进行一次使用不封火实验的功率输出曲线图

图5为用大风门、能量反射器、炉底挡风圈对有效炉身进行一次使用不封火实验的功率输出曲线图

图6为用小风门、能量反射器、炉底挡风圈对有效炉身进行一次使用不封火实验的功率输出曲线图

图7为自动封火器示意图

图8为现代冲无炉型高效蜂窝煤万用炉示意图

图9a为万用炉的热效率范围示意图，图9b使用燃烧率k=98％的配套蜂窝煤对万用炉热效率范围的修正示意图

图10a为俯视正方形配套蜂窝煤示意图，图10b为12孔园形配套蜂窝煤示意图，图10c为16孔园形配套蜂窝煤示意图

图11为炉膛内燃烧的蜂窝沿径向温度变化示意图

图12为园形蜂窝煤三爪落灰器示意图

图13、为正方形蜂窝煤转角落灰器示意图

图14为万用炉身套群的落灰装置示意图

图15为20孔万用炉身套群炉型示意图

图1a、图1b、图1c中，1能量反射器；2、热水出口；3、回水口；4、炉底挡风圈；5、煤孔；6、火焰喷射口；7、火焰聚集腔；8、气道内腔；9、成形炉膛内衬；10、水套内套；11、水套内腔；12、水套外套；13、保温层；14、外皮。图7中，15手提梁；16、炉盖；17、耐火混凝土；18、岩棉保温层；19、炉瓦；20、外壳。

图8中，21、自动封火器；22、炉圈；23、炉头；24、炉气排放口；25、能量反射器；26、炉身水套；27、落灰器；28、炉底座；29、经济运行阴风门；30、炉门。

图12中：31、卡爪；32、环形转盘；33、弧形滑槽；34、垂直凸块；35、螺栓轴；36、转盘板手。

图13中；37、转盘凸角。

图15中：38、水套内腔；39、炉膛内衬；40、炉膛；41、水套外套；42、回水支管；43、回水总管；44、出水支管；45、出水总管；46、风机：47、热水江聚管；48、炉身保温层

Claims (6)

1、本发明的关键是用焊接或铸造的筒式水套，内用耐火水泥等耐火材料混合捣制成型的深气道的高炉膛，配合能量反射器，炉底挡风圈构成万用炉身。

2、万用炉身配合大炉门、经济运行阻风门、三爪落灰器或45°转角落灰器、自动封火器等组成万用炉，万用炉可并联使用以取代现有各种型号的民用锅炉。并可以实现自动供暖、自动封火，使用极为方便。

3、在一个水套外套内焊接多个内用耐火水泥等耐火材料混合捣制成型的深气道的高炉膛内套构成万用炉套群，万用炉身套群的孔数任意，用来制造民用及各行各业的各种型号的锅炉，万用炉身套群的炉型也可以并联、串联或混联使用，甚至构成二合一万用炉身套群炉型用于制造各种型号的大型锅炉及工业锅炉，并且容易实现自动化。万用炉及万用炉身套群使用杨氏蜂窝煤，热效率极高，可达96％。

4、万用炉、万用炉身套群及锅炉的有效炉身高度大于400mm(即5块h80mm蜂窝煤高度)和炉膛气道深度大于5mm。

5、带有炉底挡风圈、能量反射器、45°转角落灰器或三爪落灰器、自动封火器的蜂窝煤炊暖炉、茶炊炉及锅炉。

6、具有深气道炉膛相应形状内套的万用炉身套群二合一万用炉身套群及预热热用的不带内衬的深气道的炉身套群及锅炉。

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