JP2016080333A - 燃焼方法、加熱方法、燃焼装置、及び加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃焼室の軸径が小径に形成され、燃焼室の下流側に比較的長いガス移流部を備える加熱装置に使用されても、振動燃焼を発生させないともに、構造が簡素となり製造コストを低くし得る燃焼方法、加熱方法、燃焼装置、及び加熱装置を提供する。【解決手段】円筒状の燃焼室１０の筒軸方向に沿って開口されたスリット１２から、燃焼用酸素含有ガスを偏心導入し、当該スリット１２の位置より筒軸方向下流側に、燃料ガスを供給する燃料ガス導入部１５を設け、燃焼用酸素含有ガスの壁面接触旋回移流領域ＳＯを、円筒状の燃焼室１０の内壁ｗに沿って形成するとともに、燃料ガスを燃料ガス導入部１５から壁面接触旋回移流領域ＳＯ内に流入させ、壁面接触旋回移流領域ＳＯ内に、燃料ガスの濃領域を筒軸方向に沿って螺旋状に形成して燃焼させる。【選択図】図１

Description

本発明は、家庭用、業務用及び産業用の加熱に汎用的に用いることができる燃焼装置及びその燃焼装置が使用する燃焼方法に関するとともに、このような燃焼装置を用いる加熱装置及びその装置が使用する加熱方法に関する。

燃焼方法としては、いわゆる「旋回火炎（図３参照）」を形成する方法と、「管状火炎（図２参照）」を形成する方法が知られている。

「旋回火炎」は、燃焼室内に乱れ（流速の変動）をつくり、燃料ガスと燃焼用酸素含有ガスの混合促進を図ることや、箇所で流速と反応速度が釣り合うところを各所につくり、火炎の吹き飛びを防止すること、また、燃焼負荷（ここでは体積あたりの燃焼量）を高め燃焼器を小さくすること等を狙いとする。一方、「管状火炎」は管内に一定の旋回流が生じるように燃料ガスや燃焼用酸素含有ガスを供給した場合に形成される火炎であり、「管状火炎」は乱れによって燃焼室内のあらゆる箇所で反応が進む「旋回火炎」とは一線を隔し、異なった燃焼方法と言える。

「管状火炎」は、旋回流の遠心力により、密度の低い高温の燃焼ガスが管中央に集まり、火炎帯を挟んで、その周りを密度の高い低温の未燃ガスによって覆われる構造となる。従って、常に火炎帯が未燃ガスで覆われるので、反応進行中に熱が管壁へと奪われて、不完全燃焼を引き起こす可能性が低い（例えば、特許文献１参照。）。
このことから、「管状火炎」は、火炎帯と管壁の距離が近くなり易い細管内でも、完全燃焼が可能である。このことは、ある種の機器の条件下では、燃焼装置として優れた特徴と言える。

特許第３３５８５２７号公報

以上のように、「管状火炎」は非常に有利な上記特徴を備えた燃焼方式であるが、例えば、温風発生器・蒸気発生器・炉等に使用されるラジアントチューブ（加熱装置の一例）に適用する場合、以下のような問題があることが判明した。

このような加熱装置では、燃焼装置に備えられる燃焼室において、燃料ガスと燃焼用酸素含有ガスの混合気を形成して燃焼を行い、燃焼室の出口に接続される燃焼排ガス移流部（熱交換管内に形成される流路）に燃焼排ガスを流し、当該燃焼排ガス移流部内を流れる燃焼排ガスと熱交換管外の被加熱媒体（空気、蒸気等の被加熱ガス、水、油等の被加熱液等）との熱交換により外側にある被加熱媒体を加熱するが、このような熱交換管は、燃焼装置の燃焼室と同等管とされることが多く、その配管長さが燃焼室の長さより相当長いため、燃焼部位で振動燃焼が発生することがあり、安定した燃焼が維持できなくなる場合がある。さらに、下記のように製造コストのことを考えると簡素な構造が望ましく、バーナ構成の面でも改良の余地がある。ここでいう振動燃焼とは、図２に、模式的に示すように、燃焼火炎の全長が、管軸方向において周期的或いは非周期的に移動する形態（燃焼量が変動すること）を意味する。

〔振動燃焼〕
「管状火炎」は、管の接線方向に配置したスリットから予混合気を、または、各スリットから燃料ガスと燃焼用酸素含有ガスを別々に供給して形成される。ここで、予混合気を供給する場合は、予混合火炎となる。燃料ガスと燃焼用酸素含有ガスを別々のスリットから供給する場合も、各未燃ガスは火炎帯に至るまでに混合が進むため、予混合火炎に似た燃焼特性をもつ（ブンゼンバーナに代表される部分予混合火炎より、濃度ムラのある予混合火炎に近しいと考えられる。）。
振動燃焼は、予混合火炎よりも反応が燃焼の拡散速度に律される拡散火炎の方が起き難いとされる。しかしながら、先に好ましいとした「管状火炎」は、上述のように予混合火炎に近い特性をもつため、燃焼排ガス移流部（煙管）が長い場合、振動燃焼を起こすことが多々あることが判明した。

〔製造コスト〕
さらに、燃焼室を形成する円筒内に一定の旋回流をつくるには、燃料ガスや燃焼用酸素含有ガスの供給スリットの数は多いほうが望ましい。また、絶対的に逆火を回避できる、燃料ガスと燃焼用酸素含有ガスを別々に供給する方式を採用しようとすると、燃料ガス用スリットと燃焼用酸素含有ガス用スリットとを交互に設置する必要が生じる。従って、このような構造を採用する場合は、部品点数の増加や構造の複雑化を招き、燃焼装置の製造コストが格段に増大することが懸念される。

以上、本発明の目的は、たとえ、燃焼室の径が小径に形成され、燃焼室の下流側に比較的長い燃焼排ガス移流部（加熱部）を備える加熱装置に採用する場合にも、振動燃焼を抑えることが可能で、バーナが簡素な構造となる燃焼方法、加熱方法、燃焼装置、及び加熱装置を提供することにある。

上記目的を達成するための、円筒状の燃焼室の筒軸方向に沿って開口されたスリットから、燃焼用酸素含有ガスを偏心導入して燃焼させる燃焼方法の特徴構成は、
前記燃焼室内における前記燃焼用酸素含有ガス流れのスリット位置より筒軸方向下流側に、燃料ガスを供給する燃料ガス導入部を設け、
前記燃焼用酸素含有ガスの壁面接触旋回移流領域を円筒状の前記燃焼室の内壁に沿って形成するとともに、
前記燃料ガスを前記燃料ガス導入部から前記壁面接触旋回移流領域内に流入させ、
前記壁面接触旋回移流領域内に、前記燃料ガスの濃領域を筒軸方向に沿って螺旋状に形成して燃焼させることにある。

この燃焼方法では、円筒状の燃焼室内に筒軸方向に沿って開口されたスリットから、燃焼用酸素含有ガスを偏心導入する。この偏心導入において、燃焼用酸素含有ガスの壁面接触旋回移流領域を燃焼室の内壁に沿って形成する。
そして、燃焼用酸素含有ガス流れのスリット位置より筒軸方向下流側に設けられた燃料ガス導入部から、燃料ガスを壁面接触旋回移流領域内に供給する。
この形態で燃料ガスを壁面接触旋回移流領域内に供給して、壁面接触旋回移流領域内に燃料ガスの濃領域を筒軸方向に沿って螺旋状に形成する。

この構成では、従来型の管状火炎より拡散火炎に近い燃焼を行なうことが可能となるとともに、振動燃焼を抑えることができる。
さらに、燃料ガス供給部に関して述べると、燃料ガス供給部はスリット状にする必要はなく、燃焼室に、円管等の管で形成される燃料ガス供給管を開口させるだけで燃料ガス供給部を実現できるため、簡単かつ製造容易な構造で燃焼装置を実現でき、製造コストの低減の用を果たすことができる。

この燃焼方法を使用する燃焼装置は、
円筒状の燃焼室の筒軸方向に沿って開口されたスリットから燃焼用酸素含有ガスを偏心導入して、円筒状の前記燃焼室の内壁に沿って前記燃焼用酸素含有ガスの壁面接触旋回移流領域を形成し燃焼する燃焼装置であって、
前記燃焼室内における前記燃焼用酸素含有ガス流れの前記スリット位置より筒軸方向下流側に、燃料ガスを供給する燃料ガス導入部を備え、
前記燃料ガスを前記燃料ガス導入部から前記壁面接触旋回移流領域内に流入させる導入調整手段を備え、
前記壁面接触旋回移流領域内に前記燃料ガスの濃領域を筒軸方向に沿って螺旋状に形成して燃焼する燃焼装置とできる。

これまで説明した燃焼方法を採用し、円筒状の前記燃焼室の出口に当該燃焼室の筒軸方向長さより長い燃焼排ガス移流部を備え、当該燃焼排ガス移流部内を流れる燃焼排ガスと前記燃焼排ガス移流部外の被加熱ガスとを熱交換させて、前記被加熱ガスを加熱することで、被加熱ガスの加熱を、振動燃焼を抑制しつつ、コンパクトな構成で低コストで実現できる。

上記目的を達成するための、加熱方法の特徴構成は、
請求項１に記載の燃焼方法を使用し、円筒状の前記燃焼室の出口に当該燃焼室の筒軸方向長さより長い燃焼排ガス移流部を備え、当該燃焼排ガス移流部内を流れる燃焼排ガスと前記燃焼排ガス移流部外の被加熱ガスとを熱交換させて、前記被加熱ガスを加熱することにある。

当該加熱方法を使用する加熱装置としては、これまで説明した燃焼装置に対して、その円筒状の燃焼室の出口に当該燃焼室の筒軸方向長さより長い燃焼排ガス移流部を備え、当該燃焼排ガス移流部内を流れる燃焼排ガスと前記燃焼排ガス移流部外の被加熱ガスとを熱交換させる熱交換管を備えて、前記被加熱ガスを加熱する構成としておけばよい。

本発明の実施形態に係る燃焼方法を使用する燃焼装置の近傍を示す図であり、正面断面図（ａ）及び燃焼用酸素含有ガスを燃焼室に供給するスリットを横断する断面図（ｂ） 従来技術における「管状火炎」の形成状態を示す図 従来技術における「旋回火炎」の形成状態を示す図 本発明の別実施形態を示す図

本発明の実施形態に係る燃焼装置１は、図１からも判明するように、円筒状の燃焼室１０の筒軸方向に沿って開口されたスリット１２から燃焼用酸素含有ガス（具体的には空気）を偏心導入して、円筒状の燃焼室１０の内壁ｗに沿って燃焼用酸素含有ガスの壁面接触旋回移流領域ＳＯを形成し燃焼する。図１の陰付け部が、本願にいう管状火炎の形成部である。

燃焼用酸素含有ガスを燃焼室１０に供給する燃焼用酸素含有ガス供給部５０は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、角筒状の外周筐体から成る外周壁５１と複数のスリット１２が概略周方向に穿たれた円環状のスリット形成部材５２とから二重管構造に形成されている。
図１（ａ）（ｂ）に矢印で示すように、紙面上方からスリット形成部材５２の外周部位に周回状態で燃焼用酸素含有ガスが供給され、複数のスリット１２を介して燃焼室１０内に燃焼用酸素含有ガスが供給される。スリット１２は、筒軸方向に長く穿たれて構成され、そのガス吹き出し方向が円筒内壁ｗの接線方向あるいは管径より小径の仮想円に接する方向とされている。さらに本例では、前記スリット１２の上流側に、燃焼用酸素含有ガスの貯留部１３を設けるとともに、その下流側に燃焼用酸素含有ガスの流量計測部１４、流量調整弁Ｖｑ及び流路遮断弁Ｖｃを設けて、燃焼室１０内に送りこむ燃焼用酸素含有ガスの流量を適切に調整できるように構成されている。結果、燃焼室１０の内壁ｗに沿って良好に壁面接触旋回移流領域ＳＯを形成できる。

そして、燃焼室１０内における燃焼用酸素含有ガス流れのスリット１２の位置より筒軸方向下流側に、燃料ガスを供給する燃料ガス導入部１５としての円管状の燃料ガス供給部１５ａが備えられている。
そして、そのガス吹き出し方向は、燃焼室１０の円筒径方向あるいは管径より小径の仮想円に接する方向とされている。

当該実施形態では、このように燃料ガス導入部１５から燃料ガスを壁面接触旋回移流領域ＳＯ内に流入させる構成を、導入調整手段と呼ぶ。
図１には、本発明に関する理解を容易とするため、燃料ガスの貯留部１７、その下流側に燃料ガスの流量計測部１８、流量調整弁Ｖｑ及び流路遮断弁Ｖｃを記載しているが、一旦、燃料ガスの壁面接触旋回移流領域ＳＯ内への導入の好適な条件が見出された後は、これらの機器は不要であり、一定流量・流速で燃料ガス導入部１５から壁面接触旋回移流領域ＳＯ内に燃料ガスを流入させればよい。

そして、燃料ガス導入部１５より下流側にイグナイター１９を備えている。
以上の構成を採用することで、本発明の実施形態に係る燃焼装置１では、壁面接触旋回移流領域ＳＯ内に、燃料ガスの濃領域を筒軸方向に沿って螺旋状に形成して、異常な燃焼量変動がなく、燃焼を安定的に継続することができる。また、一対のスリット１２を燃焼室１０に対して設ける必要がないため製造コストも低減される。

尚、図１に示す本実施形態の燃焼装置１は、温風発生器等の加熱装置として用いる構成例を示しており、円筒状の燃焼室１０の出口１１（円筒状の燃焼室１０の両端に設けられた燃焼排ガス出口）に当該燃焼室１０の筒軸方向長さより長い燃焼排ガス移流部２１を備えると共に、当該燃焼排ガス移流部２１へ被加熱ガスを送るファン４とを備え、当該燃焼排ガス移流部２１内を流れる燃焼排ガスと燃焼排ガス移流部２１の外部の被加熱ガスとを熱交換させる構成としている。

〔燃焼方法の全体〕
以上説明した燃焼装置１では、その燃焼方法は以下の方法となる。
円筒状の燃焼室１０の筒軸方向に沿って開口されたスリット１２から、燃焼用酸素含有ガスを偏心導入して燃焼させる燃焼方法であって、
前記燃焼室１０内における前記燃焼用酸素含有ガス流れの前記スリット１２の位置より筒軸方向下流側に、燃料ガスを供給する燃料ガス導入部１５を設け、
前記燃焼用酸素含有ガスの壁面接触旋回移流領域ＳＯを前記円筒状の燃焼室１０の内壁ｗに沿って形成するとともに、
前記燃料ガスを燃料ガス導入部１５から前記壁面接触旋回移流領域ＳＯ内に流入させ、
前記壁面接触旋回移流領域ＳＯ内に、前記燃料ガスの濃領域を筒軸方向に沿って螺旋状に形成して、燃焼させる。

〔燃料ガス導入部からの燃料ガスの導入形態〕
燃料ガス導入部１５からの燃料ガスの導入形態は、壁面接触旋回移流領域ＳＯ内を旋回状態で流れる燃焼用酸素含有ガスに前記燃料ガス導入部１５より燃料ガスを流入させる形態となる。

尚、本実施形態の燃焼装置１にあっては、壁面接触旋回移流領域ＳＯ内に、燃料ガスの濃領域を筒軸方向に沿って螺旋状に形成すべく、以下のような構成例を採用している。
スリット１２の形状 ：周方向幅／筒軸方向長さ＝０．３／７
スリット１２の数 ：６
内周面に対する角度 ：ほぼ内周面に沿う方向
円筒状の燃焼室１０の筒軸に直交する断面積／各スリット１２の面積
：６．２３
燃料ガス供給部１５ａの内周面に対する角度 ：９０°
燃焼室１０のスリット１２の下流端から燃料ガス供給部１５ａまでの距離Ｌ１／スリット１２の筒軸方向長さ ：０．７４
燃料種 ：都市ガス１３Ａ
空気過剰率 ：１．３
燃料ガス供給部１５ａの口数 ：２
各燃料ガス供給部１５ａの断面積／円筒状の燃焼室１０の筒軸に直交する断面積
：０．１８
空気流速（燃焼用酸素含有ガスの流速）／燃料ガス流速 ：１５．３

以上の構成例によれば、本発明の目的（燃焼用酸素含有ガスの流れに対して、その旋回状態を大きく乱すことなく、燃焼用酸素含有ガスの壁面接触旋回移流領域ＳＯ内に、燃料ガスの濃領域を筒軸方向に沿う螺旋状に形成すべく、燃料ガスを流入させる）に即したものとして良好な燃焼状態とすることができる。

〔別実施形態〕
（１）上記の実施形態では、円筒状の燃焼室１０に対して、その円筒状の燃焼室１０の出口１１（円筒状の燃焼室１０の両端に設けられた燃焼排ガス出口１１）に燃焼排ガス移流部２１を備える構成としたが、燃焼排ガス移流部２１を両端に備えることなく、片端に備える構成としてもよい。この形態を図４に示した。図１と同一の機能部位には同一の図番を付した。
（２）上記の実施形態では、燃料ガス供給部１５ａを円管で形成したが、角管で形成してもよい。
さらに、その噴出方向は燃焼用酸素含有ガスの流れを大きく乱す方向でなければ、どのような方向としてもかまわない。即ち、燃焼用酸素含有ガスの流れ方向に対して、逆流する方向でなければよい。
さらに、燃料ガス導入部１５からの燃料ガスの供給状態を燃焼用酸素含有ガスで形成された壁面接触旋回移流領域ＳＯ内の流れに対する影響を低減する趣旨からは、燃料ガス導入部１５の周方向の数を多くしてもよい。

本発明は、燃焼室の径が小径に形成され、燃焼室の下流側に比較的長い燃焼排ガス移流部（間接加熱部）を備える加熱装置に採用するにしても、振動燃焼を低く抑えることが可能で、製造コストも低く抑えることができる燃焼方法、加熱方法、燃焼装置、及び加熱装置を、提供することができた。

１ 燃焼装置
４ ファン
１０ 燃焼室
１１ 出口（燃焼排ガス出口）
１２ スリット
１３ 燃焼用酸素含有ガス貯留部
１４ 流量計測部
１５ 燃料ガス導入部
１５ａ 導入円管
１６ 元管
１７ 燃料ガス貯留部
１８ 流量計測部
１９ イグナイター
ｗ 内壁
ＳＯ 壁面接触旋回移流領域
Ｖｑ 流量調整弁
Ｖｃ 流路遮断弁

Claims (4)

1. 円筒状の燃焼室の筒軸方向に沿って開口されたスリットから、燃焼用酸素含有ガスを偏心導入して燃焼させる燃焼方法であって、
   前記燃焼室内における前記燃焼用酸素含有ガス流れのスリット位置より筒軸方向下流側に、燃料ガスを供給する燃料ガス導入部を設け、
   前記燃焼用酸素含有ガスの壁面接触旋回移流領域を円筒状の前記燃焼室の内壁に沿って形成するとともに、
   前記燃料ガスを前記燃料ガス導入部から前記壁面接触旋回移流領域内に流入させ、
   前記壁面接触旋回移流領域内に、前記燃料ガスの濃領域を筒軸方向に沿って螺旋状に形成して燃焼させる燃焼方法。
2. 請求項１に記載の燃焼方法を使用し、円筒状の前記燃焼室の出口に当該燃焼室の筒軸方向長さより長い燃焼排ガス移流部を備え、当該燃焼排ガス移流部内を流れる燃焼排ガスと前記燃焼排ガス移流部外の被加熱ガスとを熱交換させて、前記被加熱ガスを加熱する被加熱ガスの加熱方法。
3. 円筒状の燃焼室の筒軸方向に沿って開口されたスリットから燃焼用酸素含有ガスを偏心導入して、円筒状の前記燃焼室の内壁に沿って前記燃焼用酸素含有ガスの壁面接触旋回移流領域を形成し燃焼する燃焼装置であって、
   前記燃焼室内における前記燃焼用酸素含有ガス流れのスリット位置より筒軸方向下流側に、燃料ガスを供給する燃料ガス導入部を備え、
   前記燃料ガスを前記燃料ガス導入部から前記壁面接触旋回移流領域内に流入させる導入調整手段を備え、
   前記壁面接触旋回移流領域内に、前記燃料ガスの濃領域を筒軸方向に沿って螺旋状に形成して燃焼する燃焼装置。
4. 請求項３に記載の燃焼装置と、円筒状の前記燃焼室の出口に当該燃焼室の筒軸方向長さより長い燃焼排ガス移流部とを備え、当該燃焼排ガス移流部内を流れる燃焼排ガスと前記燃焼排ガス移流部外の被加熱ガスとを熱交換させる熱交換管を備えた加熱装置。

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