JP2583337B2 - 家庭用ガス燃焼装置における燃料ガスの燃焼方法および同燃焼装置 - Google Patents

家庭用ガス燃焼装置における燃料ガスの燃焼方法および同燃焼装置

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、家庭用ガス燃焼装置における燃料ガスの燃
焼方法および同装置に係り、特に、NOxの発生を制御す
るように改良した燃焼方法および燃焼装置に関するもの
である。
〔従来の技術〕
ガスを燃料とする燃焼装置は給湯器や暖房器に広く用
いられており、コンパクト化、高負荷化の改良が進めら
れている。
一方、公害防止の立場からNOxの発生を抑制すること
が社会的要請となっている。
ところが、ガス燃焼技術において燃焼用器具のコンパ
クト・高負荷化とNOx低減とは両立し難いという問題が
有る。
従来、低NOx化バーナとしては、シュバンクバーナの
ような完全予混合式のバーナや、1次燃焼室を持った2
次火炎形成式ブンゼンバーナ等が公知であるが、いずれ
も燃焼量範囲を広くとれないことや、1次空気比の制御
が難しいことや、構造が複雑で製造コストが高いこと等
の不具合が有る。
〔発明が解決しようとする課題〕
NOxの発生量を抑制するための公知の手法は、これを
原理的に分類すると、a.火炎冷却法、b.濃淡燃焼法、c.
二段燃焼法、d.排ガス再循環等となるが、いずれも既製
の燃焼装置に適用しようとするバーナの交換ないし大改
造を必要とし、経済的でない。
さらに、単にNOxを低減させるだけであれば前記の火
炎冷却法が有効であるが、火炎を冷却することによって
CO発生量が増加するという不具合を伴う。
本発明は上述の事情に鑑みて為されたもので、在来形
のバーナ本体部分に改造を加える必要が無く、従って在
来形バーナの燃焼量範囲や負荷性能や燃焼性能に悪影響
を及ぼすこと無く、しかも、CO発生量を増加させること
なくNOx発生量を抑制し得る燃焼方法、および燃焼装置
を提供することを目的とする。
〔課題を解決するための手段〕
上記の目的を達成するため、本発明は、家庭用ガス燃
焼装置における燃料ガスの燃焼方法において、 ガスバーナによって形成される火炎のうち内炎発光部
からCO危険域のエリアにかけて冷却用パイプを挿入する
と共に、冷却用パイプ中にガスバーナで発生する熱量の
2〜4.5%を抜熱する冷却用液体を流通せしめ、 かつ、前記冷却用液体が流通する冷却用パイプにより
可視火炎を分離させた冷却ゾーンを形成させ、 該冷却ゾーンで発生したCOを冷却用パイプより上方の
隣接する通常火炎に触れさせて再燃焼させることを特徴
とする。
また、本発明は、列設された複数のガスバーナの炎孔
群によって構成された火炎形成面を有する家庭用ガス燃
焼装置において、 前記ガスバーナによって形成される火炎のうち内炎発光
部からCO危険域のエリアに相当する高さ位置に僅かな勾
配を有するほぼ水平な冷却用パイプを配設するととも
に、該冷却用パイプ内に前記ガスバーナで発生する熱量
の2〜4.5%を抜熱する冷却用液体を流通せしめる手段
を具備せしめ、 かつ、前記冷却用パイプを、ガスバーナによって形成
される可視火炎を分離させる冷却ゾーンが形成される外
径を有するものとしたことを特徴とする。
〔作用〕
本発明の燃焼方法は、前記の如く、ガスバーナによっ
て形成される火炎のうち内炎発光部からCO危険域のエリ
アにかけて冷却用パイプを挿入するとともに、その冷却
用パイプ中のガスバーナで発生する熱量の2〜4.5%を
抜熱する冷却用液体を流通せしめ、かつ、前記冷却用液
体が流通する冷却用パイプにより可視火炎を分離させた
冷却ゾーンを形成させ、該冷却ゾーンで発生したCOを冷
却用パイプより上方の隣接する通常火炎に触れさせて再
燃焼させるので、家庭用燃焼装置のように負荷変動があ
る燃焼装置であっても、火炎と冷却用パイプとの間の熱
伝導による顕熱の抜熱と、冷却ゾーンによる燃焼ガス中
の水蒸気の凝縮熱による抜熱と、凝縮した水蒸気の再蒸
発による抜熱との複合効果によって火炎温度を低下さ
せ、これにより平均的に10%〜20%程度のNOx低減をは
かることができるばかりでなく、ブラフボディ効果によ
って火炎冷却面付近に排ガス再循環領域が形成され、冷
却によって発生したCOを冷却用パイプより上方の通常火
炎に触れさせて再燃焼させ、かくして10%から20%程度
のNOx低減がなされると共に、通常燃焼時より以上のCO
低減を可能ならしめることができる。
〔実施例〕
第5図は、本発明の一実施例において適用の対象とし
た従来例のガスバーナを対比参考のために示したもので
あり、同図(A)は正面図、(B)は側面図である。
1は単位バーナであって、ノズル2から噴出される燃
料ガスを空気と混合させて上方へ吹き出して燃焼させ、
火炎3を形成する。
この単位バーナ1は、紙面の奥行方向に多数列設さ
れ、その火炎形成面は水平面hに揃えられている。4は
火炎形成面付近に設けられた整流用の金網である。
前記の火炎3は図示のごとく内炎発光部3a,CO危険域3
b,最高温度領域3c,および外炎発光帯3dよりなる可視火
炎と、その外周部の不可視火炎3eとによって形成されて
いる。
本実施例の装置は第2図に示すように上記可視火炎の
うち、内炎発光部3aからCO危険域3bのエリアに相当する
高さ位置にほぼ水平に冷却用パイプを配設する。
第2図は、前記第5図の単位バーナ1の上方に、可視
火炎内を貫通するように冷却用パイプ5を配設した状態
を示しており、その全体的斜視図は第1図のごとくであ
る。
第1図に示すように、本例の冷却用パイプ5はU字管
状をなし、その平行部の一方は往管5a,他方は戻管5bで
ある。
図示しない通水手段により、冷却液(本例では冷却
水)が矢印aのごとく供給され、矢印b,cのごとく通水
される。
本例においては往管5aに僅かな上がり勾配を付し、戻
管5bに僅かな下り勾配を付してある。その結果、第2図
(A)に現われている往管5aの高さH3は戻管5bの高さH2
に比して僅かに低い。第2図(B)では往管5aと戻管5b
とがほとんど重なっている。
このような勾配を付しておくと水抜き操作に好都合で
あり、パイプ内に気泡が滞流しにくく、かつ、後に詳述
するごとく適応可能な燃焼状態の範囲が広くなる。
本例においては(第2図参照) 火炎3′の幅W1=80mm 往管5aと戻管5bとの間隔W2≒40mm 火炎3′の高さH1=70mm 往管5aの高さH3≒戻管5bの高さH2≒30mmである。
以上のように構成された本発明の燃焼装置の一実施例
を用いて本発明に係る燃焼方法を実施した1例について
次に述べる。
第1図に示すように単位バーナ1が列設されて、これ
らの単位バーナによって構成される炎孔群が火炎形成面
を構成している燃焼装置において、これら単位バーナ1
の上方(すなわち可視火炎が形成さるべき空間)に、U
字状の冷却パイプを配設して冷却用液体(本例では水)
を、矢印a,b,cのごとく流通させながら、ガス燃焼を行
わせて火炎3′を形成させる。
このようにして燃料ガスの燃焼を行わせると第3図に
示ずごとくになる。即ち、 火炎3′のうち、冷却パイプ5に触れて冷却される部
分、および冷却パイプ5の至近距離内を通って放射冷却
を受ける部分で火炎冷却面Fcを形成し、その他の部分
(冷却を受けない部分)は通常火炎Fnを形成する。概略
的に見れば、冷却パイプ5の周囲および上方に冷却ゾー
ンFc′が形成される。
上記の冷却パイプによる火炎の冷却は、火炎と冷却パ
イプとの間の熱伝導による顕熱の抜熱と、燃焼生成ガス
の中の水蒸気の凝縮熱の抜熱と、凝縮した水蒸気の再蒸
発による蒸発熱の抜熱とが複合して行われ、可視火炎中
から抜熱される。
上記抜熱により火炎冷却面Fcは温度が低くなり、NOx
の発生が抑制される。
前記の冷却パイプ5によるブラフボデイ効果のため、
火炎冷却面Fc付近に排ガス再循環領域(第3図におい
て、ガスの流れを矢印で示す)が成形される。この、部
分的な排ガス自己再循環によってパイプ直上の冷却未燃
ガスおよび、さらに上側のホットな燃焼ガスが逐次混合
され、滞留時間を延ばされながら燃焼するため、NOxの
発生量はいっそう抑制される。
しかしながら、前述のごとく火炎の1部分が冷却され
ると、冷却によるNOx低減効果が得られる反面、冷却に
よってCO発生量が増加するという不具合を生じる。従っ
て、このCO発生量増加を防止しなければ実用価値が無
い。
この実施例においては、冷却パイプ5付近で発生した
COは前述の排ガス再循環領域(多数の小矢印で表わされ
ている)に流入し、渦状流動しつつ隣接する通常火炎Fn
に触れて燃焼せしめられCO2となる。
第4図は横軸に抜熱量をとり、縦軸にNOx低減を示し
た図表である。
抜熱量は、当該ガスバーナの定格発生熱量に対するパ
ーセンテージで表わしてある。
NOx低減率は、従来例(第5図)におけるNOx発生量に
比しての減少率をパーセンテージで示してある。
この実施例では、抜熱量4%付近にNOx低減率のピー
クが認められる。
抜熱量は冷却水の流入温度と流出温度との温度差ΔT
に流量を乗じて求められるが、4%の抜熱をする場合に
流量と温度差との組合せはいろいろに変えることができ
る。
本第4図において、実線カーブは温度差ΔT=6℃の
場合、破線カーブは温度差ΔT=50℃の場合である。
本例において、具体的には、ΔT=6℃の場合の入水
温17℃,出水温23℃である。またΔT=50℃の場合の入
水温17℃,出水温67℃である。
上記の温度差ΔTの変化に伴ってNOx低減効果に若干
の差はあるが、いずれの場合も抜熱量が4%付近のとき
に最良の結果を得た。
本発明者らの実験によると、ガスバーナの仕様や熱量
ガスの組成が変わると、最良の結果を得る抜熱量も変化
するが、おおむね2〜4.5%の範囲内にある。
さらに、次の理由によって抜熱量がこの範囲から外れ
ることは好ましくない。
抜熱量を少なくするには、具体的には冷却パイプの径
を細くするとともに冷却液の流量を絞ることになるが、
径を細くするには自ずから限度が有るので、2%未満と
いった小さい抜熱量を得るには冷却液の流量をかなり小
さくしなければならない。実際問題として流量を小さく
すると流量制御が困難になる。而して流量制御が不適切
であると冷却液が突沸を生じるおそれが有る。
また、抜熱量を4.5%よりも大きくすると、冷却パイ
プの外周面に凝縮した水が滴下する。この水は硝酸に類
した窒素化合物を含んでいてバーナを腐食させるので不
都合である。こうした理由により、抜熱量は2〜4.5%
とすることが適当である。冷却パイプの径は、上記の抜
熱量が得られるとともに、前記の如き冷却ゾーンFc′が
形成される外径のものを選定する。
(第2図参照)火炎の高さHに対する冷却用パイプ5a
の高さは、本発明者らの実験によると、冷却パイプの高
さを最大負荷時の火炎高さH1の0.4強にすると好効果が
得られた。すなわち、火炎高さH1は負荷の大小によって
変化するためあらゆる負荷状態において最善であるよう
なパイプ高さとすることはできないが、最大負荷時の火
炎高さH1の0.4強にすると、家庭用ガス燃焼装置の一般
的な使用範囲において、前記の如き作用を奏することが
できる。
本実施例の冷却パイプ5には勾配が付されていて、そ
の高さがH2,H3を含んで無段階に変化しているので、一
般的な使用時における負荷状態において冷却パイプの何
処かで最良の状態が得られる。その結果、負荷状態が変
化しても可視炎内に冷却パイプが入っている状態の範囲
については、NOxの低減率がほぼ一定となる。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明に係る燃焼方法によれ
ば、家庭用ガス燃焼装置において、バーナ本体部に改造
を加える必要無く、従ってバーナの燃焼量範囲や負荷性
能に悪影響を及ぼすおそれ無く、しかもCOの発生量を増
加させることなくNOx発生量を抑制することができる。
また、本発明の燃焼装置は可視火炎が形成される空間
内に設けられた僅かな勾配を有するほぼ水平な冷却用パ
イプと、該冷却用パイプ内に冷却用液体を流通せしめる
手段とを具備しているので、前記の発明方法を容易に、
かつ確実に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る燃焼装置の一実施例を示す斜視図
である。 第2図(A)は上記実施例の正面図、第2図(B)は同
じく側面図である。 第3図は上記実施例の燃焼装置を用いて本発明に係る燃
焼方法を実施した1例における燃焼状態の説明図であ
る。 第4図は上記実施例における効果を説明するための図表
である。 第5図は従来例の燃焼装置を示し、同図(A)は正面
図、同図(B)は側面図である。 1……単位バーナ、2……ノズル、3,3′……火炎、3a
……内炎発光部、3b……CO危険域、3c……最高温度領
域、3d……外炎発光帯、3e……不可視火炎、4……金
網、5……冷却パイプ、5a……冷却パイプの往管、5b…
…冷却パイプの戻管。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】家庭用ガス燃焼装置における燃料ガスの燃
    焼方法において、 ガスバーナによって形成される火炎のうち内炎発光部か
    らCO危険域のエリアにかけて冷却用パイプを挿入すると
    ともに、冷却用パイプ中にガスバーナで発生する熱量の
    2〜4.5%を抜熱する冷却用液体を流通せしめ、 かつ、前記冷却用液体が流通する冷却用パイプにより可
    視火炎を分離させて冷却ゾーンを形成させ、 該冷却ゾーンで発生したCOを冷却用パイプより上方の隣
    接通常火炎に触れさせて再燃焼せしめることを特徴とす
    る、家庭用ガス燃焼装置における燃焼ガスの燃焼方法。
  2. 【請求項2】列設された複数のガスバーナの炎孔群によ
    って構成された火炎形成面を有する家庭用ガス燃焼装置
    において、 前記ガスバーナによって形成される火炎のうち内炎発光
    部からCO危険域のエリアに相当する高さ位置に僅かな勾
    配を有するほぼ水平な冷却用パイプを配設するととも
    に、該冷却用パイプ内に前記ガスバーナで発生する熱量
    の2〜4.5%を抜熱する冷却用液体を流通せしめる手段
    を具備せしめ、 かつ、前記冷却用パイプを、ガスバーナによって形成さ
    れる可視火炎を分離させて冷却ゾーンが形成される外径
    を有するものとしたことを特徴とする家庭用ガス燃焼装
    置。
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JPS6078247A (ja) * 1983-10-04 1985-05-02 Tokyo Gas Co Ltd Coの発生を抑制しながら高負荷燃焼により熱交換を行なう方法及びその装置
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