CN203168931U - 生物质炉具和生物质燃烧室 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种生物质炉具和生物质燃烧室，其中燃烧室可包括上室和下室。这些室可分离以帮助装载燃料及移除用过的燃料。上燃烧室的截面可小于下区段的截面。木炭或其他生物质燃料可被添加到下燃烧室中并且可由炉栅支撑。可通过多个孔将氧气进给到燃烧室中，这些孔可从燃料床的位置的直线基本被遮挡。上燃烧室还可包括环形收缩件，以帮助缩小烹饪器皿和燃料床之间的视角因子。收缩件还可帮助将能量辐射回燃料床。

Description

生物质炉具和生物质燃烧室

相关申请的交叉引用

    专利合作条约的该专利申请要求获得于2009年11月16日提交且名称为“Combustion Chamber for Charcoal Stove”的美国临时申请No. 61/261694的优先权，其内容通过引用而全部被包括到本文中。

该申请与2009年4月10日提交的名称为“Cook Stove Assembly”的美国临时申请No. 61/168538有关，该临时申请通过引用而全部被包括到本文中。 

技术领域

本发明大体上涉及用于受限区域中的炉具和烹饪器具。 

背景技术

大约半数的世界人口通过生物质火来烹饪。使用生物质作为能源导致了森林砍伐以及室内空气质量的下降。在非洲，这种生物质燃料源通常是木炭。 

炭炉可相对无烟地燃烧(即，颗粒物的低产量)，然而，它们倾向于产生高水平的一氧化碳(CO)。这可由木炭燃料的效率低或不完全的燃烧而造成。虽然在开放空间(例如户外)烹饪时CO的产生可能不会构成重大问题，但是，当木炭燃烧发生在生活空间或其他封闭空间内时，一氧化碳可积聚而导致疾病或死亡。 

一氧化碳是由燃料燃烧中的不完全燃烧所产生的无色、无臭、无味的有毒气体。CO中毒可导致头痛、恶心、头晕或意识模糊。若未被检测到，则CO暴露可能是致命的，并且仅仅在美国，意外的CO中毒就导致每年大约15000例急诊访问。 

因为一氧化碳是不完全燃烧的副产物，所以改进燃烧的过程将减少一氧化碳的产生。本领域技术人员将会理解，改进燃烧通常可以至少三种方式实现—通过增加燃烧的持续时间，升高燃烧发生处的温度，或者优化氧气和燃料的混合。 

在一些情况下，增大一个因素可导致第二因素的减小。例如，优化氧气混合通常需要增大气流，但是当更冷的环境空气进入燃烧区时，这也可导致燃烧温度下降。因此，对燃烧的改进通常需要这些因素的平衡。 

当燃料源是气态的而非固体时，更加容易控制改进燃烧的因素。发达国家已经大量地利用气体燃料取代固体燃料来烹饪和加热。但是，如从上述CO中毒统计显而易见的是，当燃料在室内燃烧时，单独使用气体燃料并不会防止CO中毒。 

现代的用具通常由精密的电子器件控制，并且燃烧产物通常直接排放到生活空间外以帮助减少CO产生和/或积聚。相反，在木炭燃烧可能在生活空间内在简单的炉灶上发生并且带有极少或没有专用通风装置的发展中国家，炉具应当被设计成平衡效率和CO产生。 

减少CO排放可能需要CO产量的减少以及任何产生的CO的燃烧。 

燃料燃烧速率、气流流率以及工作温度是炉具的其中一些最重要和最基本的特性。炭炉通常在比其他生物质炉具更高的温度下运行。木炭燃料床的顶部可能为大约1000°K[～730°C]。CO氧化受到燃烧温度、驻留时间以及氧气浓度的影响。 

在许多农村和发展中社会，特别是在非洲和亚洲，木炭是一种主要的能源。木炭在低氧环境中由部分烧过的生物质(例如木材)制成。通常被称为热解的这个过程降低了生物质的水和挥发物含量，使其主要为碳。木炭在非常高的温度下燃烧。在一些情况下，木炭可在1100℃或大约1100℃下燃烧。 

即使在使用木炭作为能源之前，木炭生产导致森林砍伐并增加了温室气体(均源自木炭的直接生产以及作为树木损失的间接结果)。因此，炭炉效率的增加可减少对木炭的需要，伴随着森林砍伐和温室气体的减少。 

在大多数情况下，现有的炭炉设计依靠传统的材料(例如砖、石头或陶瓷)，虽然一些炉具也可由金属建造。大规模生产的陶瓷炉可具有比传统炭炉设计更高的效率，但是，由于建造它们(例如铸造、干燥和烧制)所需的时间和它们的重量，陶瓷炉倾向于具有较高的生产成本和配送成本。金属炉可能重量更轻并可快速建造，但是，由于燃烧温度的淬火，金属炉通常比陶瓷炉效率更低。此外，一些金属燃烧室可能更容易腐蚀。 

许多设计成用于固体生物质燃料的成品炉具并非具体地设计成减少危险燃烧产物的产生。那些解决室内污染的成品炉具通常不理想，或者是因为它们依靠传统行为的急剧变化(例如限制使用固体燃料，将炉具移到室外，或者依赖于昂贵或不切实际的排气)，或者它们在财政方面超出穷人的范围。一种烹饪/加热备选方案与传统行为相符、便宜，并且能减少危险气体的产生，可以帮助防止死亡和疾病，尤其是在收入有限的人群中。 

大规模生产的炭炉的一个示例是Jiko炉。超过一百万肯尼亚陶瓷Jiko(KCJ)炉已分布在肯尼亚和东非国家内。由肯尼亚能源和环境组织(KENGO)设计的Jiko炉是陶瓷的并因而难以制造且配送昂贵。此外，虽然Jiko炉与其他典型的非洲炉具相比显示出接近双倍的热效率，但是，Jiko炉的使用几乎不导致有害排放的减少。 

所需要的是一种减少CO产生同时高效、便宜且耐腐蚀的炭炉。一种带有这些特质的金属炉可在农村和发展中国家中廉价地制造和配送。 

发明内容

本文中所描述并要求保护的炉具可帮助减少至少在生物质(例如木炭)燃烧期间产生的一氧化碳的量。 

本公开描述了一种金属生物质炉具，其可降低生产成本，同时提高耐用性并减少其燃料消耗和CO排放。炉具燃烧室可被设计成通过增加炉具的燃烧温度而减少至少在燃烧固体燃料能源时排放的一氧化碳气体的量。燃烧温度的这种增加可通过增加气流、减少热质量损失的能量浪费以及无益的辐射传热来实现。 

图1是在由不同炉具设计提供的不同温度下对CO氧化建模的图形比较。该曲线图显示，由当前炉具设计提供的增加的燃烧温度可显著提高生物质炉具中的CO破坏。这种温度相关性可导致炉具启动期间(这是自燃烧产生CO但温度远低于可导致CO氧化的温度的时候)的“CO尖峰”。在该图中，在1100°K [～830℃] 下CO的氧化在0.1秒后几乎完全。相比之下，在802°K[～530℃]下，大约95％的CO在3.0秒后仍然存在。因此，当前描述并要求保护的炉具与其他炉具设计相比可帮助CO的快速破坏或氧化。 

与目前可得到的燃烧木炭的炉具相比，该炉具实施例在将水煮沸所需的时间方面可提供20％的减少。该炉具被设计成使用固体生物质(例如木炭)作为燃料。除了通过减少煮沸时间而如演示的那样提高效率之外，该炉具设计还可将一氧化碳排放减少80-95％(从冷启动测量)。这种减少使排放达到可与典型的改进的燃烧木材的烹饪炉具媲美的水平。 

燃烧室可具有两个部分：第一，下燃烧室，以及第二，上燃烧室。下燃烧室可采取多种形状中的任何一种，例如圆柱形、球形、盒形等。上燃烧室也可限定圆柱形，但也可采取各种不同的形状，包括方形、椭圆形或漏斗形。上燃烧室通常可比下燃烧室具有更小的半径或最大截面尺寸。 

上区段可与下区段分开，以帮助将燃料装载到燃烧室中以及在使用后移除用过的燃料。上区段或两个区段均可包括手柄，以帮助运输和分开这些区段。手柄可被附连至区段或区段的整体部分。 

可将炉栅或烤架定位在下燃烧室内以接纳固体燃料。可使固体燃料在下燃烧室内定位、点燃以及部分或完全消耗。可使火焰和气体进一步在上部消耗并且使所得的热和废气被引导出上燃烧室并朝着烹饪器皿。本发明的燃烧室设计可包含定位在上燃烧室内的环形收缩件。该环形收缩件减小了上燃烧室的内部半径/截面，通过使壁径向向内移动或者通过向上燃烧室添加减小半径的环或板。 

收缩件还可帮助将能量辐射回燃料床，从而提高燃料床的温度。下燃烧室的形状以及上下燃烧室的不同半径之间的过渡也可帮助将能量辐射回燃料床。因此，本文中所描述并且要求保护的炉具收缩件可部分地帮助减少从燃料床到烹饪器皿的底侧的视角因子(view factor)。 

收缩上燃烧室的半径还可帮助使部分燃烧或未燃烧的气体远离上燃烧室的壁转向，朝向中央返回进入火焰中，在此它可被消耗。该收缩件还可在上燃烧室内形成湍流以帮助混合气体。 

本文中所描述并要求保护的炉具还可包括气流孔，其可被设计成或遮挡用以防止辐射能损失。孔允许氧进入燃烧室中，但基本上在燃料床的直线视线之外，并且因而可防止燃烧室中多达5％的能量损失。在使用期间可通过手柄来调节氧气流，该手柄附连至定位在炉具的底部处的多个入口上方或附近的气流调节盘。 

本文中所描述并要求保护的炉具还可在炉栅下和燃烧室的壁后包括隔热物以进一步减少能量损失。 

本文中所描述并要求保护的炉具对比其他制成的陶瓷炭炉可帮助减少大约90％的一氧化碳产生。这可导致更健康的室内环境并防止疾病甚至死亡。此外，该炉具可提高燃料效率，从而减少生产木炭所需的森林砍伐量和温室气体产生。 

附图说明

图1是不同温度下的一氧化碳氧化的图形比较。 

图2是本炉具实施例的前视图。 

图3是图2的炉具的分解图。 

图4A是从底部透视视角观察时图2的炉具的视图。 

图4B是盘状调节器和调节器手柄的透视图。 

图4C是备选炉具实施例的气流室和盘状调节器的透视图。 

图5A是沿着显示图2的平面得到的图2的炉具的截面图。 

图5B是图5A的炉具的备选实施例，描绘了燃烧期间的燃料床以及从燃烧的燃料床发出的辐射能。 

图6是在与图5相同的平面中的前视截面图，显示了备选炉具实施例。 

图7A显示了净辐射传热的一个示例性公式；图7B显示了对于不同表面区域的炉具而言作为温度的函数的净传热的图形。 

图8A是来自当前炉具和Jiko炉的CO产生的图形比较。 

图8B是来自当前炉具和Jiko炉的CO产生在超过60分钟时段的图形比较。 

具体实施方式

图2显示了当前公开的发明的炭炉10的前视图。炉具10通常由金属构成，以降低整体重量以及制造和运输的成本。金属的使用还可帮助减少炉具的热质量。带有更大热质量的炉具吸收更多通过燃烧产生的能量。这种吸收的能量升高了炉体的温度。 

由高热质量的灶具吸收的能量可另外用于烹饪。此外，高热质量体的能量损失还可被用来增强燃烧。因此，通过减少炉具的热质量，可使炉具在加热烹饪器皿和防止不完全燃烧这两个方面更有效率。 

本实施例的炉具10大体上可具有两个区段：上区段20和下区段30。炉具的下区段30大体上可为圆柱形并且可以限定底部40。腿部50可附连至炉具10的底部40。腿部50可帮助在地板、桌子或其他合适表面上升高炉具，以帮助防范炉具的热量。腿部50还可帮助允许空气流入炉具中，如下面所描述的那样。 

炉具的上区段20大体上可为圆柱形，并且在炉具10的顶部可为可包括锅(pot)支撑件70的炉灶面(cooktop)60。锅支撑件70可设计成将锅、平底锅或其他烹饪器皿升高在炉灶面60上方并且将烹饪器皿定位在燃烧室出口(在图3中示出)上方。上区段20还可包括手柄80，用于运输炉具10，或者用于分开区段20、30。手柄80可附连至上区段的外部，如在本实施例中。在其它实施例中，手柄80可为上区段20的整体结构。在一些实施例中，也可具有与下区段30相关联的手柄80。 

图3显示了彼此分开的两个区段20、30。在这里，上区段20限定了上燃烧室100。炉灶面60限定了在炉灶面60内大体上居中的燃烧室出口110。上燃烧室100大体上从燃烧室出口110向下延伸。上燃烧室100由朝着下燃烧室200向下延伸的上燃烧室壁120限定。上燃烧室的壁可由耐腐蚀金属合金制成，例如FeCrAl(如在美国专利申请61/168538中描述的，该专利申请被全部包括到本文中)。在许多实施例中，合金可包括铁、铬和铝。在许多实施例中，合金还可包括钛。 

如图3中所示，上区段20和下区段30的分开可帮助允许到达下燃烧室200，在那里可将燃料420装载到炉栅250上。分开区段20、30的能力还可帮助从下燃烧室200移除用过的燃料。可分性还可帮助清洁炉具10。 

两个区段20、30被设计成匹配在一起而形成紧固但可松开的连接。环状基部130定位在上区段20的底部140处或附近。下区段限定了顶部230。环状基部130设计成紧密适配在下区段30的顶部外表面240之上及其周围。在下区段30的顶部230为下连接边缘245。下连接边缘245是凸形的并且设计成紧密配合凹形的上连接帽150的形状，上连接帽150由上区段20的底部140限定。上连接帽150形成凹形环状环，其设计成与下区段30的凸形下连接边缘245相匹配。上连接帽150的凹形面在上区段20的外部从环状基部130的底部向内延伸至唇部结构135，唇部结构135由漏斗结构400(在图5A中显示)限定。当上连接帽150与下连接边缘245匹配时，它们可形成屏障以密封燃烧室100、200并帮助防止燃烧气体从燃烧室100、200损失。环状基部130和唇部结构135帮助保持上区段20横向稳定和就位，以便提供上区段20和下区段30之间的紧固连接。 

炉栅250可由耐腐蚀的线制成。在当前实施例中，炉栅250可由不锈钢线或其他合适材料制成。与传统的陶瓷和铸铁材料相比，这种类型的线可帮助降低热质量。降低的热质量可减少加热炉栅所需的时间和能量，从而增加可用于烹饪、加热燃烧室或者燃烧未燃的或部分燃烧的产物的能量的量。该不锈钢线可帮助减少传统炉具的启动阶段期间的“CO尖峰”。 

本实施例的炉具设计的类型可称为成批装载炉。在成批装载炉中，燃料420(在图5B中示出)在燃烧开始之前被添加至下燃烧室200，在此之后添加额外的燃料可能非常困难、危险或不可能。 

对于成批装载(单个，启动之前的燃料装载)炉而言，燃料床410的体积可大体上确定每次使用可能消耗的燃料420的最大量。由于这种潜在的约束，燃料床410的体积必须足够大，以在至少烹饪所需的时间内提供足够的燃料420。在许多实施例中，燃料床410可设计成保持足够用于大约一小时烹饪的燃料。在本实施例中，燃料床410的最大体积大体上可由炉栅250(在底部)、下燃烧室壁220(侧部)以及炉具10的下区段30的顶部230限界的体积来确定。在许多其他炉具实施例中，最大的燃料床420体积由炉栅上方的下燃烧室的体积来确定。可加载到下燃烧室200中的燃料420的量可远小于燃料床410的最大体积，以便提供足够的气流通过和围绕燃料床410。 

如将在后面论述的那样，对于同样的烹饪任务而言，与传统炉灶相比，该炉具的设计和更高效率需要更少的燃料。 

对于恒定的燃料体积而言，较高的炉具的体积允许较窄的燃料区域半径，燃料区域半径可由下燃烧室壁220限定。 

在图3中所示的实施例中，炉栅250可在燃烧室底板270上方可移除地附连至燃烧室壁220。炉栅250可包括环状环255以及可支撑多根大体平行的线的中心支撑件260。炉栅250的环状环255可由下燃烧室200的壁220中的翼片结构210支撑。许多实施例可具有不同形状的炉栅250，其被设计成支撑燃料420并允许围绕燃料420的足够的气流。在许多实施例中，炉栅可包括腿部，用于支撑炉栅离开下燃烧室200的底板270。 

炉栅250可通过允许空气通过燃料420、在燃料420下方以及围绕燃料420流动而帮助燃料420的燃烧。下燃烧室壁220可由耐腐蚀金属合金制成。用于下燃烧室中的合金可与用于上燃烧室中的合金类似。在其他实施例中，上燃烧室和下燃烧室的合金可不同，例如在组分比例、组成或厚度方面。 

定位在炉栅250下方的可为下燃烧室底板270(其也由金属合金制成)，以及定位得极为远离底板270的平板(slab)290(在图4C中示出)。平板290可由平板帽295覆盖，平板帽295可由耐腐蚀合金制成。 

气流调节器手柄310可位于炉具10的外部并定位在下区段30的底部40处或附近。调节器手柄310可帮助控制流入燃烧室200中的空气的量。 

在图4A和图4B中更清楚地显示了对炉具的气流调节。图4A和图4B显示了自炉具下方的视图。炉具10的底部40限定了多个气流入口280。这些入口280设计成被调节盘300覆盖，如在该实施例中所示的那样，调节盘300可定位在下区段30的内部。在许多其他实施例中，调节盘300可定位在炉具10的外部，使得气流在进入炉具10的底部40处的气流入口280之前大体上移动通过由盘300限定的多个盘窗口330。图4B显示了调节盘300而未显示炉具。 

如可在图4B中看到的那样，调节盘300还可限定多个窗口330。这些窗口330在形状上可对应于炉具10的底部40中的气流入口280。在许多其他实施例中，由窗口330限定的形状可不同于由入口280限定的形状。 

盘300可通过定位在炉具10的底部40的中央或中央附近的轴320附连至调节器手柄310。调节器手柄310和调节器轴320可通过螺母紧固，使得盘300的移动可围绕轴320旋转。调节器手柄310和调节盘300的布置还可帮助防止高温的腐蚀，并且维持手柄310的温度，使得其可在烹饪期间被用来调节气流。 

调节盘300、轴320和手柄310的设计可允许手柄310的移动导致盘300的旋转。调节盘300围绕调节轴320的旋转可使盘窗口330定位在气流入口280附近，使得在炉具底部40中形成引导气流入口280的大小和形状的气流通道，以允许期望的空气量流入炉具内部。调节盘300的位置可由使用者根据需要调整以允许从最大量到最小量的气流，以便获得所期望的燃烧性能。可旋转调节盘，使得窗口330和入口280不相邻，导致最少的空气可流入炉具内部340。如对于本领域技术人员而言显而易见的，对于炉具的操作而言，可根据需要将气流的量调节至最大和最小以及它们之间。此外，盘窗口330和气流入口280的形状可被设计为在最小气流或其附近比在最大气流提供对气流的更精细控制。可通过平板290和/或平板帽295使调节盘300和/或进气口280从燃烧室出口110的直线视线基本被遮挡。 

在炉具10的许多实施例中，炉具10上的调节盘窗口330和气流入口280可为各种形状。例如，如图4C中所示，但不具有限制性，窗口330和/或入口280可大体上为饼形。在该实施例中，窗口和入口可仅仅部分地从轴320延伸至盘缘305，在还有其他实施例中，窗口330和入口280可大体上从轴320附近延伸至盘300的外缘305附近。在许多其他实施例中，窗口330和入口280还可为圆形、方形或不规则形状。虽然图4中描绘的实施例显示了定位在炉具10的底部40的入口280和窗口330，但是，本领域技术人员将会意识到，本炉具设计也可具有在底部40处或附近定位在炉具10的侧部的窗口330和入口280。 

图5A是该炉具10的截面图。从炉具的顶部附近开始，炉灶面60的形状是可见的。炉灶面60可限定盛液盘(drip pan)90。锅支撑件70可围绕炉灶面60定位。锅支撑件70可设计成帮助将锅或烹饪器皿定位在燃烧室出口110上方。锅支撑件70还可设计成通过允许燃烧气体在定位于燃烧室出口110上方的锅或烹饪器皿的下方或周围流动而帮助对流传热至锅或其他烹饪器皿。 

盛液盘90可为围绕燃烧室出口110延伸的环状环。在许多实施例中，盛液盘90可为不连续环状。盛液盘90可从上区段20的外缘96向内延伸而会合燃烧室出口110。盛液盘90可大体上向下朝着炉具10的底部40倾斜并且向内朝着燃烧室出口110倾斜，然后盛液盘90可在燃烧室出口110附近大幅向上升高而形成盛液盘唇部94。由盛液盘90和盛液盘唇部94形成的凹部可限定盛液盘储器92。在许多实施例中，盛液盘储器92可具有平的底部或V形底部。在许多其他实施例中，储器92可具有圆形底部。 

盛液盘储器92可帮助保护燃烧室100、200和燃料床410，例如如果定位在炉灶面60上方的锅沸溢则保护其免于腐蚀或淬火。储器90在燃烧室出口110附近的定位可帮助促进在液体溢到燃烧室100、200中之前液体从储器90蒸发。 

上燃烧室100开始于燃烧室出口110下方，并且向下朝着下燃烧室200前进。在该实施例中，上燃烧室100是带有基本恒定半径的圆柱形。在其他实施例中，上燃烧室可为稍微漏斗形的，上燃烧室出口110处或附近的半径不同于下燃烧室200附近的半径。在许多其他实施例中，上燃烧室100可限定非圆柱形的形状。例如，但不具有限制性，上燃烧室100可限定椭圆形、方形、矩形或者其他规则或不规则的形状。 

在上燃烧室100内可为多个大体上环形的收缩件150和/或孔口环/板160。收缩件150或孔口环160可帮助减小上燃烧室100的截面积。在许多实施例中，如这里所描绘的那样，收缩件150可在上燃烧室100的内部中限定环状脊部，该环状脊部减小了上燃烧室100的内部直径d。收缩件150可帮助支撑孔口环160或孔口板160。 

虽然当前实施例的孔口板160定位在上燃烧室100的中央附近，但是，其他实施例可将孔口环160放置在上燃烧室100的上部三分之一中。在一些实施例中，孔口环160可能被定位在上燃烧室100的底部140处或附近并在燃料床410的顶部上方间隔开。在许多实施例中，孔口环160被附连至上燃烧室100的壁120而不需要收缩件，例如，通过焊接。 

孔口板/环160可用作多种功能。例如，孔口板160可帮助降低视角因子。视角因子可能与燃料床410的量相关，其可与位于炉灶面60处的烹饪器皿的底部的处于直线视线。在如图5B所示的实施例中，孔口环160可通过减小上燃烧室100的直径d而减小该视角因子。收缩件150可帮助减少在孔口环160上方传递至上室壁120的余热，并且还可帮助将能量和热量辐射回燃料床410中，从而提高燃烧温度，并且继而提高燃烧的效率。限制由燃烧的燃料发出的一部分能量可使燃料床410的温度降低，帮助减少CO产物并使产生的CO在从炉具排出之前氧化。 

由收缩件150产生的减小的视角因子还可帮助保持炉灶面60处的温度合理且不过热以至让用户体验到难以控制的性能。通过阻止其中一些辐射传递被引导至烹饪器皿的底侧，可使烹饪器皿的温度部分缓和。 

在一些实施例中，孔口环160可提供增加的湍流强度和混合。在许多实施例中，孔口环16还可在流中产生急剧的缩窄，从而形成这样一个区域，在该区域中，燃烧产物的主要部分朝着上燃烧室的通常较热的中心转向-这种转向可增加未燃烧材料将燃烧的可能性。 

如图5A和图5B中所示，在上燃烧室100的底部140附近，该室径向向外并向下扩展而会合下燃烧室200，并且形成倒置的漏斗结构或燃烧漏斗400。漏斗400帮助在下燃烧室200和上燃烧室100之间形成过渡并且使下燃烧室200的直径减小至上燃烧室的直径。漏斗400可帮助将燃烧气体从下燃烧室200引导到上燃烧室100中。 

漏斗400可由耐腐蚀合金构成，例如FeCrAl。燃烧漏斗400可设计成帮助将能量辐射回燃料床410中。炉具的该实施例具有锥形的带有大体上线性轮廓的燃烧漏斗400，其提供下燃烧室200的半径和上燃烧室100的半径之间的过渡。在其他实施例中，漏斗400可利用曲线轮廓实现两个不同半径之间的过渡。在还有其他实施例中，可能不是漏斗结构400来连接两个半径，而是，该过渡可为线性且大体上水平的连接。 

该炉具10实施例的上燃烧室100可大体上又高又窄。这种形状可帮助增加气体驻留在燃烧室中的时间量，并且因此增加部分燃烧的气体将经历进一步燃烧或氧化的可能性。此外，这种设计帮助在燃烧室100、200内维持较高的温度并且增加净辐射传热。 

净辐射传热是辐射面和接收面(即，燃料床的顶面和烹饪器皿的底面)的面积、这两个表面之间的距离以及两个表面的温度的函数。图7中显示了净辐射传热的一个示例性公式，其中，Q_net是以瓦特计的传热，A是表面的面积，F是表面之间的距离，σ(西格马)是斯特凡-玻尔兹曼常数，T₁是散热区域或燃料床表面的温度，并且T₂是烹饪器皿或锅底面的温度)。 

图7还提供了对于各个暴露的燃料床区域而言这个公式的结果的图表。例如，为了实现从燃料床到烹饪器皿的相对恒定的传热率，燃料床的较小的顶层必须每单位面积辐射得更强烈。因此，通过减少燃料床表面可用于传热的面积，从而维持较高的温度。这种较高的温度是由于通过倒置漏斗缩窄了燃烧室以及通过孔口环缩窄了上燃烧室的结果。这种较高的温度又可在燃烧室中导致更大的CO破坏或氧化。 

例如，如果燃烧速率和其他损失(除了传递至锅的热量之外)相对恒定(或者相比升高至前述功率的温度更不相关)，那么燃料床的温度上升直至达到稳定状态。因此，在图1-图6所示的炉具实施例中，较小的有效辐射发射区域(这可归因于倒置漏斗和/或孔口环)可导致燃料床以及燃料床顶层的更高温度。这些更高的温度继而可以减少CO产生并增强所产生CO的氧化。 

图5A还显示了定位在燃烧室底板270上方的平板290。平板290可由板坯(slab plate)370支撑，板坯370又由多个平板支撑件360支撑，该多个平板支撑件360将燃烧室的底板270连接至板坯370。平板支撑件360从底板270向上延伸而在底板270和板坯370之间形成间隙。该间隙不连续地延伸而限定一系列气流孔350。气流孔350帮助形成通路，用于空气从定位在板坯370下方的气流室340流至上方的下燃烧室200中。在还有其他炉具实施例中，孔350可大体上为圆形并且围绕大体上连续的平板支撑结构360延伸，如图4C中所描绘的那样。在其他实施例中，孔350可为各种其他形状，例如方形、矩形、椭圆形等。 

气流孔350可定位成帮助让气流在炉栅250上方的燃料床之下分布得尽可能均匀。此外，孔350可定位成减少辐射传递以及伴随的热损失。在这里，孔350可从燃料床的直线视线基本上被遮挡，从而防止辐射热逃逸到气流室中。在其他实施例中，孔可从被炉栅支撑的燃料床的任何部分的位置的线被完全遮挡。 

在图5中，还可看出定位在上燃烧室和下燃烧室100、200的壁120、220之后的隔热物390。隔热物390可帮助减少传热，减少炉具的热质量，并且减少燃烧室100、200内的淬火。隔热物390还可帮助调节炉具10外部的温度。位于炉具10的底部40处或附近的隔热物390可降低炉具的外部温度，使得其可被定位在一个表面上而不燃烧或损坏该表面。 

在一些实施例中，隔热物390可为玻璃纤维基的，例如陶瓷纤维(Fiberfrax)。许多炉具实施例可使用蛭石、珍珠岩或其他合适的天然或人造的隔热材料。室壁120、220之后的隔热物390可由相同的材料制成或者可不同。平板290也可由类似于壁后面的隔热物390的材料的隔热材料390制成，或者其可为不同的材料。 

平板290和平板帽295可帮助进一步使下燃烧室200隔热并将热量辐射回燃料床。平板帽295还可限定裙座296，裙座296向下延伸而大体上包围平板290。在裙座296的基部可为凸缘298。凸缘298可被设计成帮助从燃料床的直线视线遮挡定位在下方的孔350。 

在使用中，空气从底部40下方被推入炉具10中并进入气流入口280中。可通过调节器手柄310的移动来调节流动通过气流入口280的空气的量，这又可将由气流入口280和盘窗口330限定的气流通道的大小减小或增大到最大，其中，气流入口280的区域通过调节盘300而通畅(即，盘窗口330在大小和形状上与入口280基本类似，或大于入口280，并可被定位在调节盘300上以与气流入口280的位置对应)。空气继续流动通过入口280，经过盘窗口330并进入气流室340中。空气从气流室340通过由燃烧室底板270限定的气流孔350、平板支撑件360以及板坯370而进入下燃烧室200。 

上区段20可限定上燃烧室100的长度或高度。该长度可帮助增加上燃烧室100内的燃烧产物的平均驻留时间。因此，不是临近它们的形成(燃料床附近)离开炉具10，而是燃烧产物可行进通过燃烧区域的另外的层。上燃烧室100的长度还可通过增强烟囱或烟道效应来帮助增加通过燃料床和下燃烧室200的流动。烟囱效应可涉及空气通过炉具的吸气。这种效应可与炉具内的空气和气体的浮力和密度差有关。浮力可受到气体(具有较低密度的热燃烧气体)的温度以及炉具高度的影响。也就是说，烟囱效应的强度随着烟道高度和空气/气体温度差而增加。 

在当前木炭燃烧室设计的一个方面，可控制燃烧空气的流入，并且可使该流入空气间接地屏蔽木炭/燃料床，以防止辐射热通过气流孔350的损失。在当前设计的另一方面，被引向朝的辐射热的量减少，并且可被部分反射回木炭/燃料床，以提高或维持木炭床的温度。 

图6显示了该炉具的一个备选实施例。图6中的实施例具有漏斗结构1400，其可为曲线而非直线。此外，位于上燃烧室1100的基部处的收缩件1160不是具有单独的孔口板结构，而是由漏斗1400的壁形成。该收缩件可用作类似于孔口环的功能，因为它限定了比上燃烧室1100的半径d_c更小的内径d_r。图6中所示的实施例显示孔口环1160带有小于上燃烧室1100的半径的内部半径，然而，如目前所述并要求权利的该炉具的各种实施例包括可基本上等于上燃烧室的半径的收缩件。 

示例1 - 燃料床温度。 

将该炉具实施例与KCJ炉进行比较。为了测量炉具床的温度，在操作期间将热电偶放置在炉具的煤床内。该实施例的炉具在热效率上可提供超出KCJ炉额外10％的提高。该实施例的炭炉与KCJ炉相比在高得多的温度下燃烧。例如，该炉具的木炭燃料床的顶部达到估计超过1100°K[～830℃]的温度，而KCJ炉的燃料床达到约900-1000°K[～630 -～730 ℃]的温度。该炭炉在燃烧率方面显示出大约10％的提高，并且在气流流率方面为大约两倍。 

示例2 - CO排放和热效率。 

当前实施的炭炉显示CO排放的减少。炉具排放使用DeFoort, M.D., L’Orange, C., Kreutzer, C., Lorenz, N., Kamping, W以及Alders, J.的炉具制造商的排放&性能测试协议(EPTP)中描述的测试协议而测定。参见附录A。简而言之，EPTP需要大约1.5-2小时，并且由三个阶段组成，这三个阶段按顺序进行三次，对于炭炉而言带有修改。第1阶段，冷启动(CS)测试，为高功率测试，其中，测试者在室温下启动炉具并且使用预先称重的木材捆或其他燃料将测定量的水在标准锅中加热至90℃。第2阶段，热启动(HS)高功率测试，紧跟着第一次测试，并在炉具仍然热时执行。在热启动中，测试者首先将第1阶段中加热的水替换为一锅处于规定的起始温度的新鲜冷水。测试者再次使用预先称重的木材捆而将水在标准的锅中加热至90℃。当炉具是热的而不是冷的时，利用热的炉具重复加热测试帮助识别性能差异。第3阶段，慢煮测试，立即从第二阶段继续。这里，测试者确定需要在刚好超过90℃的温度下将测定量的水慢煮45分钟所需的燃料量。这一步模拟世界上许多地区常见的豆科或豆类食物的长时间烹饪。 

表I显示了来自EPTP测试的结果。在该测试中，Jiko炉排放近62克的CO，而当前实施的炉具从测试排放小于14克并在测试期间使用较少的燃料。此外，在冷启动试验中，KCJ炉产生大约30克的一氧化碳，而该炉具只排放5克。 

表I 

	EPTP木炭使用(克)	EPTP CO  (克)	EPTP热效率(%)	煮沸时间(分钟)
					陶瓷Jiko	273.5±24.3	61.5±16.0	27.9±3.9	37.2±0.4
此炉具	237.8±5.6	13.9±2.0	30.9±0.8	37.5±2.6

图8A和图8B显示了来自Jiko炉和该炭炉实施例上的EPTP测试的结果。在图8A中，此结果被图示为一氧化碳浓度作为时间的函数。图8B将图8A的数据描绘为60分钟以上的CO浓度。 

示例3 - CO氧化的化学动力学模型。 

与KCJ炉相比，该炉具实施例在较高的温度下运行，具有增加的氧气流以及更长的驻留时间。炉具流率可通过氧和碳平衡的标准测量来测得。 

较高的燃烧率在煮沸时间方面具有明显的效果。假设具有相似的热效率，更高的燃烧率提供更多的能量来加热锅。升高温度也是用以增加辐射和对流传热速率给锅的最直接方式。还通过该炉具实施例中增加的气流来帮助对流传递。 

除非在权利要求中特别阐述，所有方向性引用(例如上、下、向上、向下、左、右、向左、向右、顶部、底部、上方、下方、内、外、竖直、水平、顺时针和逆时针)仅用于识别目的，以帮助读者对本发明示例的理解，并且不形成限制性，尤其是对位置、定向或本发明的使用而言。连接性引用(例如附连、联接、连接、接合等等)应被广义地理解，并且可包括元件的连接之间的中间部件以及元件之间的相对移动。因此，连接性引用并不一定认为两个元件直接连接并彼此为固定的关系。 

在一些情况下，构件参考具有特定特性和/或与另一部分连接的“端部”而描述。然而，本领域技术人员将认识到，本发明不限于在其与其他部分的连接点外立即终止的构件。因此，用语“端部”应当以包括特定元件、链接、构件、部分、部件等的终点的邻近区域、后方、前方或其他附近的方式被广义地理解。在本文中直接或间接阐述的方法中，各种步骤和操作在一种可能的操作顺序下描述，但是，本领域技术人员将认识到，在不是必定脱离本发明的精神和范围的情况下，步骤和操作可被重新布置、替换或取消。意图是，上述描述中包含和附图中显示的所有内容应被理解为仅仅是说明性的而非限制性的。在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的精神的情况下，可做出细节或结构方面的修改。 

对于本领域普通技术人员而言将显而易见的是，在给定前述描述的情况下可做出变型和备选实施例。这样的变型和备选实施例因而被认为处于本发明的范围内。 

Claims (38)

1.一种生物质炉具，包括；

上区段，其限定上燃烧室和下边缘，

下区段，其限定下燃烧室和上边缘，其特征在于，

      所述上区段和所述下区段在所述相应的上边缘和下边缘处可分离地接合，

      孔口环，定位在所述上区段中，与所述下区段的上边缘间隔开，所述孔口环在所述上区段内限定收缩件，其中，所述收缩件减小了所述上燃烧室的内部半径；

      所述下燃烧室用于接纳燃料，以及

      多个气流孔，其中，所述孔从定位在炉栅上的燃料的位置的直线基本被遮挡。

2.根据权利要求1所述的生物质炉具，其特征在于，所述燃烧室壁和孔口环由包括铁、铬和铝的耐腐蚀金属合金制成。

3.根据权利要求2所述的生物质炉具，其特征在于，还包括漏斗结构，用于匹配所述上燃烧室和所述下燃烧室的截面，其中，所述漏斗结构帮助使辐射热朝着所述燃料转向。

4.根据权利要求3所述的生物质炉具，其特征在于，所述燃料定位在所述孔口环下方。

5.根据权利要求4所述的生物质炉具，其特征在于，所述上室限定了比所述下室的截面更小的截面。

6.根据权利要求5所述的生物质炉具，其特征在于，所述下室还包括炉栅、平板以及平板帽，其中，所述炉栅帮助支撑燃料，并且所述平板和平板帽能够帮助从所述燃料中的一些的直线视角遮挡所述气流孔。

7.根据权利要求1所述的生物质炉具，其特征在于，还包括漏斗结构，用于匹配所述上燃烧室和所述下燃烧室的截面，其中，所述漏斗结构帮助使辐射热朝着所述燃料转向。

8.根据权利要求7所述的生物质炉具，其特征在于，所述燃料定位在所述孔口环下方。

9.根据权利要求8所述的生物质炉具，其特征在于，所述上室限定了比所述下室的截面更小的截面。

10.根据权利要求9所述的生物质炉具，其特征在于，所述下室还包括炉栅、平板以及平板帽，其中，所述炉栅帮助支撑燃料，并且所述平板和平板帽能够帮助从所述燃料中的一些的直线视角遮挡所述气流孔。

11.根据权利要求1所述的生物质炉具，其特征在于，所述燃料定位在所述孔口环下方。

12.根据权利要求11所述的生物质炉具，其特征在于，所述上室限定了比所述下室的截面更小的截面。

13.根据权利要求12所述的生物质炉具，其特征在于，所述下室还包括炉栅、平板以及平板帽，其中，所述炉栅帮助支撑燃料，并且所述平板和平板帽能够帮助从所述燃料中的一些的直线视角遮挡所述气流孔。

14.根据权利要求13所述的生物质炉具，其特征在于，所述燃烧室壁和孔口环由包括铁、铬和铝的耐腐蚀金属合金制成。

15.根据权利要求1所述的生物质炉具，其特征在于，所述上室限定了比所述下室的截面更小的截面。

16.根据权利要求15所述的生物质炉具，其特征在于，所述下室还包括炉栅、平板以及平板帽，其中，所述炉栅帮助支撑燃料，并且所述平板和平板帽能够帮助从所述燃料中的一些的直线视角遮挡所述气流孔。

17.根据权利要求16所述的生物质炉具，其特征在于，所述燃烧室壁和孔口环由包括铁、铬和铝的耐腐蚀金属合金制成。

18.根据权利要求17所述的生物质炉具，其特征在于，还包括漏斗结构，用于匹配所述上燃烧室和所述下燃烧室的截面，其中，所述漏斗结构帮助使辐射热朝着所述燃料转向。

19.根据权利要求1所述的生物质炉具，其特征在于，所述下室还包括炉栅、平板以及平板帽，其中，所述炉栅帮助支撑燃料，并且所述平板和平板帽能够帮助从所述燃料中的一些的直线视角遮挡所述气流孔。

20.根据权利要求19所述的生物质炉具，其特征在于，所述燃烧室壁和孔口环由包括铁、铬和铝的耐腐蚀金属合金制成。

21.根据权利要求20所述的生物质炉具，其特征在于，还包括漏斗结构，用于匹配所述上燃烧室和所述下燃烧室的截面，其中，所述漏斗结构帮助使辐射热朝着所述燃料转向。

22.根据权利要求21所述的生物质炉具，其特征在于，所述燃料定位在所述孔口环下方。

23.一种生物质燃烧室，包括；

上燃烧室，其包括定位在所述上燃烧室内的孔口环，所述孔口环在所述上区段内限定收缩件，其中，所述收缩件减小了所述上燃烧室的内部半径；

下燃烧室，其特征在于，

      所述下燃烧室包括：

      炉栅，用于支撑固体燃料，所述燃料定位在所述孔口环下方，

      多个气流孔，用于允许氧进入所述燃烧室中，其中，所述孔从燃料床的位置的直线基本被遮挡，并且

      所述上燃烧室的截面小于所述下燃烧室的截面。

24.根据权利要求23所述的燃烧室，其特征在于，还包括漏斗结构，用于匹配所述上燃烧室和所述下燃烧室的截面。

25.根据权利要求24所述的燃烧室，其特征在于，所述漏斗结构大体上为线性的。

26.根据权利要求24所述的燃烧室，其特征在于，所述漏斗结构大体上为曲线的。

27.根据权利要求24所述的燃烧室，其特征在于，所述漏斗结构帮助使辐射热转向回到所述燃料床。

28.根据权利要求23所述的燃烧室，其特征在于，所述下燃烧室是圆形的。

29.根据权利要求23所述的燃烧室，其特征在于，还包括平板和平板帽。

30.根据权利要求29所述的燃烧室，其特征在于，所述平板和平板帽从定位在所述床中的燃料中的一些的直线视角部分地遮挡所述气流孔。

31.根据权利要求29所述的燃烧室，其特征在于，所述平板帽还包括唇部和凸缘，用于帮助从定位在所述燃料床中的燃料的直线视角遮挡所述孔。

32.根据权利要求29所述的燃烧室，其特征在于，所述平板和平板帽帮助从燃烧室出口的直线视线遮挡所述孔。

33.根据权利要求23所述的燃烧室，其特征在于，所述孔口环定位在所述上燃烧室的底部三分之一内。

34.根据权利要求23所述的燃烧室，其特征在于，所述孔口环定位在所述下燃烧室的顶部。

35.根据权利要求25所述的燃烧室，其特征在于，所述漏斗结构与所述上燃烧室邻接。

36.根据权利要求25所述的燃烧室，其特征在于，所述漏斗结构与所述下燃烧室邻接。

37.根据权利要求23所述的燃烧室，其特征在于，所述燃烧室限定了由耐腐蚀合金金属制成的壁。

38.根据权利要求23所述的燃烧室，其特征在于，所述孔口环是独立于所述上燃烧室壁的结构。

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