JP5462502B2 - 管状火炎バーナ - Google Patents

Description

本発明は、工業用、業務用及び家庭用の燃焼機器に適用可能な気体、液体又は微粉状固体等の各種燃料を汎用的に燃焼させることのできる燃焼器に関する。

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

従来管状火炎バーナにおいては、一つのスリット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きた。一方で、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、本発明に係る管状火炎バーナの特徴構成は、一端を閉塞させた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において、
前記燃焼促進構造として、前記スリットが、前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向において上流側部位から下流側部位にかけて連続的に順次開口幅が小さく構成されている点にある。

本特徴構成によれば、前記燃焼促進構造として、前記スリットが、前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向において上流側部位から下流側部位にかけて連続的に順次開口幅が小さく構成されていることにより、燃焼促進構造により燃焼ガスの流動方向の下流側部位で燃焼（燃焼反応）が完結に至る距離（時間）を短くできるので、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して燃焼（燃焼反応）が完結に至る距離（時間）を短縮でき、高負荷燃焼が可能になる。

本発明に係る管状火炎バーナの更なる特徴構成は、前記燃焼促進構造として、前記燃焼室に供給する燃料流量を、前記燃焼ガスの流動方向の上流側部位よりも下流側部位を小さくしている点にある。

本特徴構成によれば、燃焼室の軸方向において閉塞された側である燃焼ガスの流動方向の上流側部位では燃料流量を多く、燃焼室の軸方向において開放された側である燃焼ガスの流動方向の下流側部位では燃料流量を小さく供給する。これにより、燃焼ガスの流動方向の下流側部位での燃焼が早期に完結してその燃焼が完結に至る距離（時間）を短くでき、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が促進され、高負荷燃焼が可能になる。
なお、燃焼用空気流量の分布は一様な分布が望ましいが、必ずしも一様である必要は無い。ただし、いずれの部分も燃焼可能な空気比（０．５以上）であり、かつ全体として、完全燃焼に適正な空気比（１．０５〜１．６程度）を保つ必要がある。
また、燃焼ガスの流動方向の上流側の空気流量を大きくすれば、燃焼が促進されると共に、管状火炎バーナを通過する燃焼ガス流量の増加が少なくなる（一様に近づく）効果がある。一方で、燃焼ガスの流動方向の下流側の空気流量を大きくすれば、二段燃焼的な、あるいは濃淡燃焼的な窒素酸化物低減効果が期待できる。

本発明に係る管状火炎バーナの更なる特徴構成は、前記燃焼促進構造として、前記燃焼室に供給する燃料濃度を、前記燃焼ガスの流動方向の上流側部位よりも下流側部位を低くしている点にある。

本特徴構成によれば、管状火炎バーナは、燃料と空気との混合気をスリットに供給する予混合にても燃焼させることができる。従って、供給する予混合気の燃料濃度を、燃焼ガスの流動方向の上流側部位で高く、燃焼ガスの流動方向の下流側部位で低くすることで、上述の燃料流量を燃焼ガスの流動方向の上流側部位よりも下流側部位を小さくする場合と同様の効果を得ることができる。
部分予混合にて燃焼させる場合には、別途空気の供給が必要になるが、その場合も、燃料流量を燃焼ガスの流動方向の上流側よりも下流側を小さくなるように、空気の流量分布を設定することで、同様の効果を得ることが可能である。

実施形態における管状火炎バーナの斜視図及び断面図 第１参考形態における管状火炎バーナの斜視図 第２参考形態における管状火炎バーナの斜視図

〔実施形態〕
図１は、本発明に係る管状火炎バーナの実施形態を示すものである。図１（ａ）は、本発明に係る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、一端部（図１（ａ）下端部）が閉塞された円筒状の燃焼室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、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。

各スリット３は、燃焼室２での燃焼ガスの流動方向Ｘ（図１（ａ）中下方側から上方側に向かう方向）において上流側から下流側（図１（ａ）中上方側）に向けて順次開口幅が小さく構成されている。各供給管４は、燃焼室２での燃焼ガスの流動方向Ｘにおいて上流側から下流側に向けて順次流路幅が小さく構成されている。これにより、燃焼室２に供給する燃料流量を燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側よりも下流側を小さくしている。よって、管状火炎バーナ１は、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におけるバーナ全体としての燃焼の完結を促進する燃焼促進構造とされている。燃焼室２の軸方向において閉塞された側である燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側部位（図１（ａ）中下方側）では燃料流量を多く、燃焼室２の軸方向において開放された側である燃焼ガスの流動方向Ｘの下流側部位（図１（ａ）中上方側）では燃料流量を小さく供給している。その結果、燃焼ガスの流動方向Ｘの下流側部位での燃焼が完結に至る距離（時間）を短くでき、燃焼ガスの流動方向Ｘにおいて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。
ここで、燃料流量とは、拡散燃焼の場合は純粋な燃料流量であるが、部分予混合燃焼の場合は、燃料と一次空気の混合気をも意味しているものとし、その場合の燃料濃度は一定であるものとして扱う。

ただし、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、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の上流側よりも下流側を小さくすることも可能である。また、連続的に燃料供給量に分布を付けなくても、スリット３と供給管４を仕切ることで、階段状の流量分布を付けることも可能である。

なお、この場合、空気流量に分布を付けることも可能である。空気流量に燃料流量と比例関係のあるような流量分布を付ければ、空気比一定の燃焼を行うことができる。また、空気流量分布を一様もしくは、逆にすれば、拡散燃焼ではあるものの、急速に混合する場合には、上流側が「濃」、下流側が「淡」の濃淡燃焼あるいは二段燃焼に近い燃焼を実現できる。

〔第１参考形態〕
図２は、第１参考形態における本発明に係る管状火炎バーナの斜視図を示している。上記実施形態における図１と同符号を記すことにより共通する構成については説明を省略し、異なる構成のみ説明する。
この第１参考形態における管状火炎バーナ１では、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。また、スリット３の開口幅及び供給管４の流路幅は、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）に同幅としている。また、図２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混合気を噴出しているが、例えば、スリット３を１つ或いは３つ以上設け、各スリット３から燃焼室２内面の接線方向に混合気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、適宜変更可能である。

スリット３に接続された供給管４には、燃料と空気とを予め混合するために、流動する空気に対して燃料を噴出するノズル５が燃焼ガスの流動方向Ｘに沿って並ぶ状態で複数設けられている。そして、ノズル５は、燃焼ガスの流動方向Ｘにおいて配設間隔が均一ではなく、燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側から下流側に向けて順次ノズル５の配設間隔を大きくしている。燃焼促進構造として、燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側から下流側に向けて順次ノズル５の数密度を変えることにより、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している。従って、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。

図２では、左側のノズル５の配設構成を省略して示しており、矢印にて燃料濃度を示すようにしている。つまり、燃焼ガスの流動方向Ｘでの領域として、１番燃料濃度が高い領域を黒塗り矢印にて示しており、次に燃料濃度が高い領域を灰色矢印にて示しており、１番燃料濃度が低い領域を白抜き矢印にて示している。

ただし、ノズル５の数密度を変える方法は、燃料濃度に分布を付ける一方法に過ぎず、例えば、ノズル５の配設間隔を一定間隔として、燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側から下流側に向けて順次ノズル５の径を小さくして、燃焼室２に供給する燃料濃度を燃焼ガスの流動方向Ｘの上流側よりも下流側を小さくすることも可能である。また、連続的に燃料濃度に分布を付けなくても、ノズル５の配設間隔やノズル５の径を段階的に変更することで、階段状の燃料濃度分布を付けることも可能である。

〔第２参考形態〕
図３は、第２参考形態における本発明に係る管状火炎バーナの斜視図を示している。上記実施形態における図１と同符号を記すことにより共通する構成については説明を省略し、異なる構成のみ説明する。
この第２参考形態における管状火炎バーナ１では、図２にて示した第１参考形態と同様に、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。また、スリット３の開口幅及び供給管４の流路幅は、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）に同幅としている。

円筒状の燃焼室２は、燃焼促進構造として、そ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順次大きくする末広がり形状に形成されている。これにより、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においてバーナ全体としての燃焼が完結に至る距離（時間）を短くできる。燃焼室２の内径については、連続的に変更させなくても、燃焼ガスの流動方向Ｘにおいて段階的に燃焼室２の内径を大きくすることも可能である。

本発明は、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各種の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

Claims (3)

1. 一端を閉塞させた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であって、
   前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向において下流側部位での燃焼が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の燃焼の完結を促進する燃焼促進構造とされ、
   前記燃焼促進構造として、前記スリットが、前記燃焼室での燃焼ガスの流動方向において上流側部位から下流側部位にかけて連続的に順次開口幅が小さく構成されている管状火炎バーナ。
2. 前記燃焼促進構造として、前記燃焼室に供給する燃料流量を、前記燃焼ガスの流動方向の上流側部位よりも下流側部位を小さくしている請求項１に記載の管状火炎バーナ。
3. 前記燃焼促進構造として、前記燃焼室に供給する燃料濃度を、前記燃焼ガスの流動方向の上流側部位よりも下流側部位を低くしている請求項１に記載の管状火炎バーナ。

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