JP5406564B2 - 複合管状火炎バーナ - Google Patents

Description

本発明は、円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、空気と燃料とを噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞して構成され、前記スリットから供給される空気と燃料とにより燃焼を完結する複合管状火炎バーナに関する。

円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから、燃料と空気を接線方向に対向して噴出させて旋回燃焼させる燃焼器として、管状火炎バーナが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
また、窒素酸化物の低減を目的に、空気二段燃焼を行うためのノズルを燃焼室での燃焼ガスの流動方向の下流側に備えた管状火炎バーナも提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特許第３３５８５２７号公報 特開２００５−９０８２０号公報

ここで、管状火炎バーナを１つ設けるだけでなく、複数の管状火炎バーナを接続して複合管状火炎バーナを構成することが考えられている。複合管状火炎バーナとしては、管状火炎バーナの複数を、燃焼室同士を軸方向に連通させて接続し、軸方向に連通された複数の燃焼室の一端部を閉塞している。

このような複合管状火炎バーナにおいては、各管状火炎バーナから供給される燃料、空気又は混合気についてその流量或いは濃度は、均一なものとして扱われている。一方で、複合管状火炎バーナにおいては、円筒状の燃焼室の径方向に向かって燃焼（燃焼反応）の大部分は進行するものの、一酸化炭素が二酸化炭素に酸化される反応等の遅い反応は、燃焼ガスの流動方向の上流から下流に向かって進行する。従って、燃焼ガスの流動方向の下流側に位置する管状火炎バーナで供給される燃料の燃焼完結は遅れることになり、火炎長が短くならない要因となっている。
また、燃焼量を軸方向に均一にすれば、それによって生成する燃焼ガスの流量は下流に向かって増加していくことになり、燃焼完結が遅れると共に、流速増大に伴う騒音や圧損の原因となっている。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、燃焼（燃焼反応）の完結を促進し、高負荷燃焼を可能とすると共に、燃焼騒音の低減や、燃料、空気もしくは混合気供給の圧損低減を図る点にある。

この目的を達成するために、本発明に係る複合管状火炎バーナの特徴構成は、円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、空気と燃料との混合気を噴出させて又は燃料と空気とを各別に噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞して構成され、前記スリットから供給される混合気により燃焼を完結する、或いは、円筒状の燃焼室の軸方向において対として設けられる前記スリットから、それぞれ格別に供給される燃料と空気とにより燃焼を完結する複合管状火炎バーナであって、
前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向において、前記管状火炎バーナに供給する燃料流量について、前記燃焼ガスの流動方向の上流側に位置する前記管状火炎バーナよりも下流側に位置する前記管状火炎バーナを小さくする構成とされ、
下流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼が上流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼より早期に完結して、前記燃焼ガスの流動方向におけるバーナ全体として燃焼の完結を促進するバーナ単位燃焼促進構造とされている点にある。

本特徴構成によれば、バーナ単位燃焼促進構造により、例えば、燃料流量や燃料濃度等を管状火炎バーナ毎で変更させることにより、燃焼ガスの流動方向において下流側に位置する管状火炎バーナでの燃焼（燃焼反応）が早期に完結してその燃焼が完結に至る距離（時間）を短縮できる。よって、バーナ単位で調整するという簡易な構造を用いながら、軸方向に接続させた複数の管状火炎バーナにて構成された複合管状火炎バーナ全体として燃焼ガスの流動方向での燃焼完結を促進することができる。

さらに、本特徴構成によれば、複数の管状火炎バーナ毎に燃料流量を設定することにより、燃焼ガスの流動方向の上流側に位置する管状火炎バーナよりも下流側に位置する管状火炎バーナにおける燃料流量を小さくできる。これにより階段状ではあるが確実に意図した流量分布を持つ複合管状火炎バーナを構成することができ、燃焼ガスの流動方向において複合管状火炎バーナ全体として燃焼完結を確実に促進することができる。

上記目的を達成するために、本発明に係る複合管状火炎バーナの特徴構成は、円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、空気と燃料との混合気を噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞して構成され、前記スリットから供給される混合気により燃焼を完結する複合管状火炎バーナであって、
前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向において、前記管状火炎バーナに供給する燃料濃度について、前記燃焼ガスの流動方向の上流側に位置する前記管状火炎バーナよりも下流側に位置する前記管状火炎バーナを低くする構成とされ、
下流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼が上流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼より早期に完結して、前記燃焼ガスの流動方向におけるバーナ全体として燃焼の完結を促進するバーナ単位燃焼促進構造とされている点にある。

本特徴構成によれば、複数の管状火炎バーナ毎に燃料濃度を設定することにより、燃焼ガスの流動方向の上流側に位置する管状火炎バーナよりも下流側に位置する管状火炎バーナにおける燃料濃度を小さくできる。これにより階段状ではあるが確実に意図した燃料濃度を持つ複合管状火炎バーナを構成することができ、燃焼ガスの流動方向において複合管状火炎バーナ全体として燃焼完結を確実に促進することができる。

上記目的を達成するために、本発明に係る複合管状火炎バーナの特徴構成は、円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、空気と燃料との混合気を噴出させて又は燃料と空気とを各別に噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞して構成され、前記スリットから供給される混合気により燃焼を完結する、或いは、円筒状の燃焼室の軸方向において対として設けられる前記スリットから、それぞれ格別に供給される燃料と空気とにより燃焼を完結する複合管状火炎バーナであって、
前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向において、前記管状火炎バーナにおける前記燃焼室の内径を、前記燃焼ガスの流動方向の上流側に位置する前記管状火炎バーナよりも下流側に位置する前記管状火炎バーナを大きくするとともに、複数の前記管状火炎バーナの夫々の燃焼室を通過する燃焼ガス流速の上流側から下流側に向かっての増加を抑制する構成とされ、
下流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼が上流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼より早期に完結して、前記燃焼ガスの流動方向におけるバーナ全体として燃焼の完結を促進するバーナ単位燃焼促進構造とされている点にある。

本特徴構成によれば、円筒状の燃焼室の内径の異なる管状火炎バーナを接続して全体として略円錐台形状に形成することにより、複合管状火炎バーナ全体として、燃焼ガスの流動方向の上流側よりも下流側を燃焼室の内径を大きくできる。これにより、単に燃焼室の内径の異なる管状火炎バーナを接続するという簡易な構成により複合管状火炎バーナを製作できながら、複合管状火炎バーナ全体としての燃焼室内の燃焼ガスの流速を確実に抑制させることができ、燃焼ガスの流動方向の下流側に位置する管状火炎バーナでの燃焼が完結に至る距離（時間）を短くして、燃焼ガスの流動方向においてバーナ全体として燃焼完結を促進できる。併せて、燃焼ガスの流速低減による燃焼騒音の低減と圧損の低下が可能になり、燃料、空気もしくは混合気の供給圧力を低下させることができる。供給圧力の低下は、燃焼用ブロア等の動力低減とコストダウンに繋がる効果がある。

管状火炎バーナの斜視図及び断面図 第１実施形態における複合管状火炎バーナの斜視図 第２実施形態における複合管状火炎バーナの斜視図 第３実施形態における複合管状火炎バーナの斜視図

〔第１実施形態〕
図１は、管状火炎バーナの基本的な構成を示すものである。図１（ａ）は、管状火炎バーナの斜視図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。
管状火炎バーナ１は、円筒状の燃焼室２と、円筒状の燃焼室２の側面に軸方向に沿って開口するスリット３とを備え、スリット３から燃焼室２内面の接線方向に向けて、燃料（例えば天然ガス等の燃料ガス）と空気とを各別に対向して噴出させて旋回燃焼させている。図１に示す管状火炎バーナ１では、燃焼室２の一端部（図１（ａ）中下方側）を閉塞したものを示しており、このときの燃焼室２での燃焼ガスの流動方向Ｘは、図１（ａ）において下方側から上方側に向かう方向となっている。

図１に示す管状火炎バーナ１では、スリット３として、燃料を噴出させる燃料用スリット３ａと空気を噴出させる空気用スリット３ｂとを備え、各スリット３ａ，３ｂから燃料と空気とを各別に対向して噴出させて旋回燃焼させている。各スリット３には供給管４が接続されており、燃料用スリット３ａには燃料供給管４ａが接続されており、空気用スリット３ｂには空気供給管４ｂが接続されている。また、図１では、スリット３を２つ設け、各スリット３から燃焼室２内面の接線方向に向けて燃料又は空気を噴出しているが、例えば、スリット３を３つ設け、２つのスリット３から燃焼室２内面の接線方向に空気を噴出し、１つのスリット３から燃焼室２内面の接線方向に燃料を噴出させることもできる。よって、スリット３の数については、２つ以上で適宜変更可能である。

図２は、本発明に係る複合管状火炎バーナの斜視図を示している。複合管状火炎バーナ５は、管状火炎バーナ１の複数を、燃焼室２同士を軸方向に連通させて接続し、軸方向に連通された複数の燃焼室２の一端部を閉塞して構成されている。図２では、３つの管状火炎バーナ１を接続した例を示している。図中１番下に位置する管状火炎バーナ１は、燃焼室２の軸方向の一端部（図中下端部）が閉塞されている下端閉塞管状バーナにて構成されており、それ以外の２つの管状火炎バーナ１は、燃焼室２の軸方向の両端部が開放されている両端開放管状火炎バーナにて構成されている。これにより、軸方向に連通された複数の燃焼室２での燃焼ガスの流動方向Ｘは、図中下方側から上方側に向かう方向となっている。各管状火炎バーナ１は、図１にて示した管状火炎バーナと同様に、各スリット３から燃料と空気とを各別に対向して噴出させて旋回燃焼させている。

複数の管状火炎バーナ１に燃料を供給するに当たり、軸方向に連通された複数の燃焼室２での燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側に位置するものから下流側に位置するものに向けて順次スリット３の開口幅及び供給管４の流路幅を小さくしている。これにより、管状火炎バーナ１に供給する燃料流量を、燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側に位置する管状火炎バーナ１よりも下流側に位置する管状火炎バーナ１を小さくしている。その結果、複合管状火炎バーナ５は、軸方向に連通された複数の燃焼室２での燃焼ガスの流動方向Ｘにおいて下流側に位置する管状火炎バーナ１の燃焼が早期に完結して、燃焼ガスの流動方向Ｘにおけるバーナ全体として燃焼の完結を促進するバーナ単位燃焼促進構造とされている。よって、燃焼ガスの流動方向Ｘの下流側に位置する管状火炎バーナ１での燃焼が完結に至る距離（時間）を短くでき、複数の管状火炎バーナ１にて構成された複合管状火炎バーナ５としても、その複合管状火炎バーナ全体として燃焼が完結に至る距離（時間）を短くできる。

スリット３と供給管４の幅を下流側ほど狭くする方法は、管状火炎バーナ１毎で燃料流量に分布を付ける一方法に過ぎず、例えば、同じ幅のスリット３と供給管４であっても、下流側に位置する管状火炎バーナ１の圧損を大きくするような充填物（パンチングメタル等）を設けて、燃料流量を燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側に位置する管状火炎バーナ１よりも下流側に位置する管状火炎バーナ１を小さくすることも可能である。また、連続的に燃料流量を変更させなくても、段階的に燃料流量を変更させることも可能である。

〔第２実施形態〕
図３は、第２実施形態における本発明に係る複合管状火炎バーナの斜視図を示している。複合管状火炎バーナ５は、図２にて示した上記第１実施形態の複合管状バーナと同様に、管状火炎バーナ１の複数を接続して構成されており、図２と同様に、３つの管状火炎バーナ１を接続した例を示している。各管状火炎バーナ１は、燃料と空気とを各別に燃焼室２に供給するのではなく、燃料と空気とを予め混合した混合気を燃焼室２に供給している。このとき、図１におけるスリット３の数は、１つ或いは３つ以上とすることもできる。

各管状火炎バーナ１に混合気を供給するに当たり、バーナ単位燃焼促進構造として、軸方向に連通された複数の燃焼室２での燃焼ガスの流動方向Ｘ（図中下方側から上方側に向かう方向）の上流側に位置するものから下流側に位置するものほど順次燃料濃度を低くしている。例えば、各管状火炎バーナ１への燃料供給量を調整自在な燃料供給量調整手段の作動を制御することにより、各管状火炎バーナ１に供給する混合気の燃料濃度を異ならせている。
図３では、１番下に位置する管状火炎バーナ１には第１燃料濃度の混合気を供給し（図中黒塗り矢印）、下から２番目に位置する管状火炎バーナ１には第１燃料濃度よりも低い第２燃料濃度の混合気を供給し（図中灰色矢印）、１番上に位置する管状火炎バーナ１には第２燃料濃度よりも低い第３燃料濃度の混合気を供給している（図中白抜き矢印）。このように、バーナ単位燃焼促進構造として、管状火炎バーナ１に供給する燃料濃度を、燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側に位置する管状火炎バーナ１よりも下流側に位置する状火炎バーナ１を小さくしている。これにより、燃焼ガスの流動方向Ｘの下流側に位置する管状火炎バーナ１での燃焼が完結に至る距離（時間）を短くでき、複数の管状火炎バーナ１にて構成された複合管状火炎バーナ５において、燃焼ガスの流動方向Ｘでの複合管状火炎バーナ全体として燃焼が完結に至る距離（時間）を短くできる。

〔第３実施形態〕
図４は、第３実施形態における本発明に係る複合管状火炎バーナの斜視図を示している。複合管状火炎バーナ５は、図２にて示した上記第１実施形態の複合管状バーナと同様に、管状火炎バーナ１の複数を接続して構成されており、図２と同様に、３つの管状火炎バーナ１を接続した例を示している。各管状火炎バーナ１は、図３にて示した上記第２実施形態と同様に、燃料と空気とを予め混合した混合気を燃焼室２に供給している。

各管状火炎バーナ１における燃焼室２の内径は同一径としており、バーナ単位燃焼促進構造として、管状火炎バーナ１における燃焼室２の内径を、燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側に位置する管状火炎バーナ１よりも下流側に位置する管状火炎バーナ１ほど順次大きくしている。なお、内径の異なる管状火炎バーナは、円錐台形状の継手（レジューサー）や取付けボルト穴中心径（ＰＣＤ）の異なるフランジを用いて接続して、複合管状火炎バーナを構成することができる。
図４では、１番下に位置する管状火炎バーナ１の燃焼室２の内径を第１内径とし、下から２番目に位置する管状火炎バーナ１の燃焼室２の内径を第１内径よりも大きい第２内径とし、１番上に位置する管状火炎バーナ１の燃焼室２の内径を第２内径よりも大きい第３内径としている。これにより、複数の管状火炎バーナ１の夫々の燃焼室２を通過する燃焼ガス流速の上流側から下流側に向かっての増加を抑えることができ、また、下流側に位置する管状火炎バーナ１での燃焼量を小さくできるので、燃焼ガスの流動方向Ｘにおいて複合管状火炎バーナ全体として燃焼が完結に至る距離（時間）を短くできる。

〔別実施形態〕
（１）上記第１〜第３実施形態では、複合管状火炎バーナ５を構成する複数の管状火炎バーナ１については、同様の構成としているが、例えば、複数の管状火炎バーナ１の夫々について、燃焼室２での燃焼ガスの流動方向Ｘにおいて下流側部位での燃焼が早期に完結して燃焼ガスの流動方向Ｘにおける管状火炎バーナ個々としての燃焼の完結を促進する燃焼促進構造とすることもできる。この燃焼促進構造としては、図示は省略するが、例えば、以下の３つの構造が採用可能である。
１つ目の構造は、燃焼室２に供給する燃料流量を燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側部位よりも下流側部位を小さくする。
２つ目の構造は、燃焼室２に供給する燃料濃度を燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側部位よりも下流側部位を低くする。
３つ目の構造は、燃焼室２の内径を燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側部位よりも下流側部位を大きくする。

本発明は、複数の管状火炎バーナを接続して構成された複合管状火炎バーナにおいて、燃焼（燃焼反応）の完結を促進し、高負荷燃焼を可能とすると共に、燃焼騒音の低減や、燃料、空気もしくは混合気供給の圧損低減を図ることができる各種の複合管状火炎バーナに適応可能である。

１ 管状火炎バーナ
２ 燃焼室
３ スリット
５ 複合管状火炎バーナ

Claims (3)

1. 円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、空気と燃料との混合気を噴出させて又は燃料と空気とを各別に噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞して構成され、前記スリットから供給される混合気により燃焼を完結する、或いは、円筒状の燃焼室の軸方向において対として設けられる前記スリットから、それぞれ格別に供給される燃料と空気とにより燃焼を完結する複合管状火炎バーナであって、
   前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向において、前記管状火炎バーナに供給する燃料流量について、前記燃焼ガスの流動方向の上流側に位置する前記管状火炎バーナよりも下流側に位置する前記管状火炎バーナを小さくする構成とされ、
   下流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼が上流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼より早期に完結して、前記燃焼ガスの流動方向におけるバーナ全体として燃焼の完結を促進するバーナ単位燃焼促進構造とされている複合管状火炎バーナ。
2. 円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、空気と燃料との混合気を噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞して構成され、前記スリットから供給される混合気により燃焼を完結する複合管状火炎バーナであって、
   前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向において、前記管状火炎バーナに供給する燃料濃度について、前記燃焼ガスの流動方向の上流側に位置する前記管状火炎バーナよりも下流側に位置する前記管状火炎バーナを低くする構成とされ、
   下流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼が上流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼より早期に完結して、前記燃焼ガスの流動方向におけるバーナ全体として燃焼の完結を促進するバーナ単位燃焼促進構造とされている複合管状火炎バーナ。
3. 円筒状の燃焼室の側面に軸方向に沿って開口するスリットから前記燃焼室内面の接線方向に向けて、空気と燃料との混合気を噴出させて又は燃料と空気とを各別に噴出させて旋回燃焼させる管状火炎バーナの複数を、前記燃焼室同士を前記軸方向に連通させて接続し、前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室の一端部を閉塞して構成され、前記スリットから供給される混合気により燃焼を完結する、或いは、円筒状の燃焼室の軸方向において対として設けられる前記スリットから、それぞれ格別に供給される燃料と空気とにより燃焼を完結する複合管状火炎バーナであって、
   前記軸方向に連通された複数の前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向において、前記管状火炎バーナにおける前記燃焼室の内径を、前記燃焼ガスの流動方向の上流側に位置する前記管状火炎バーナよりも下流側に位置する前記管状火炎バーナを大きくするとともに、複数の前記管状火炎バーナの夫々の燃焼室を通過する燃焼ガス流速の上流側から下流側に向かっての増加を抑制する構成とされ、
   下流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼が上流側に位置する前記管状火炎バーナの燃焼より早期に完結して、前記燃焼ガスの流動方向におけるバーナ全体として燃焼の完結を促進するバーナ単位燃焼促進構造とされている複合管状火炎バーナ。

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