JP6482513B2 - バーナ - Google Patents

Description

本発明は、バーナに関し、特に、火炎からの熱放射によって被加熱物を加熱あるいは溶解させるバーナに関する。

一般に、鉄鋼用加熱炉やガラス溶解炉等の工業用の高温加熱プロセスでは、炉内下部にビレットや溶融ガラス等の被加熱物があり、その上部空間に火炎が作られ、火炎からの熱放射によって被加熱物を加熱あるいは溶解する構造となっている。
そのため、バーナの火炎には、熱放射の強い火炎であるとともに、被加熱物を均一に加熱できるような火炎であることが求められている。

熱放射の強い火炎を作る方法として、特許文献１および２には、噴流の自励振動現象を利用し、流体噴出口から噴出するガスを振動（流量を周期的に増減）させることで、火炎を広範囲に供給し、熱放射を高めるとともに均一加熱を行う方法が開示されている。
特許文献１に記載された方法によれば、自励振動現象を利用して火炎を左右に振らせることにより、通常のバーナよりも広範囲の領域を加熱することができる。
また、特許文献２に記載された方法によれば、自励振動を生じさせる流体噴出口の周囲に、別途、第２のガス噴流を設けることで、特許文献１に開示された方法より、さらに広範囲な領域を加熱することができる。

特開２００５−１１３２００号公報 特開２０１３−７９７５３号公報

しかしながら、特許文献２に記載の方法では、自励振動を生じさせる流体噴出口の方向と、第２のガス噴流が噴出する方向との関係については何ら規定されておらず、自励振動させる火炎の振り幅が大きくなると、燃焼が緩慢になり火炎温度が低くなってしまうので、熱放射が弱くなるといった問題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、自励振動させる火炎の振り幅が大きい場合においても熱放射が低下せずに広い範囲を均一に加熱することができるバーナを提供することを目的とする。

（１）本発明に係るバーナは、先端に向かって拡開する拡開噴出口から主燃焼用流体を自励振動させながら噴出させると共に、前記拡開噴出口における自励振動方向の両側に設けた一対の噴出口から、前記主燃焼用流体と混合して火炎を形成する副燃焼用流体を噴出させて燃焼させるバーナであって、
前記一対の噴出口は、それぞれ自励振動しないで副燃焼用流体が噴出される拡開しない矩形筒状であり、前記拡開噴出口の中心軸に対して対称位置に配置されてなり、
前記拡開噴出口の拡開角度をα、前記一対の噴出口の中心軸の成す角度をβとしたときに、-5°≦β≦α+15°の関係を満たすようにαとβが設定されていることを特徴とするものである。

（２）本発明に係るバーナは、先端に向かって拡開する拡開噴出口及び該拡開噴出口の両側に設けられて噴出方向に拡開する一対の側部拡開噴出口からそれぞれ主燃焼用流体および副燃焼用流体を自励振動させながら噴出させて燃焼させるものであって、前記一対の側部拡開噴出口は、前記拡開噴出口の中心軸に対して対称位置に配置されてなり、前記拡開噴出口の拡開角度をα、前記一対の側部拡開噴出口の内側の側部拡開壁同士の成す角度をβinとしたときに、-5°≦βinの関係を満たし、かつ前記一対の側部拡開噴出口の外側の側部拡開壁同士の成す角度をβoutとしたときに、βout≦α+15°の関係を満たすように、α、βinおよびβoutが設定されていることを特徴とするものである。

本発明においては、先端に向かって拡開する拡開噴出口から主燃焼用流体を自励振動させながら噴出させると共に、前記拡開噴出口の両側に設けた一対の噴出口から副燃焼用流体を噴出させて燃焼させるものであって、前記一対の噴出口は、前記拡開噴出口の中心軸に対して対称位置に配置されてなり、前記拡開噴出口の拡開角度をα、前記一対の噴出口の中心軸の成す角度をβとしたときに、−5°≦β≦α＋15°の関係を満たすようにαとβが設定されていることにより、自励振動させる火炎の振り幅が大きい場合においても主燃焼用流体と副燃焼用流体の混合を良好にして燃焼効率を増加させ、広範囲に火炎を形成しつつ熱放射を高めることができる。

本実施の形態１に係るバーナの構成を説明する図である（平断面図）。 本実施の形態１に係るバーナの構成を説明する図であり、噴出口を正面からみた状態を示している。 本実施の形態１に係るバーナにおける主燃焼用流体の噴出状態を示す図である。 本実施の形態１に係るバーナにおいて自励振動する火炎の挙動を説明する図である。 本実施の形態１における他の態様のバーナを説明する図であり、噴出口を正面からみた状態を示している。 本実施の形態２に係るバーナの構成を説明する図である（その１）。 本実施の形態２に係るバーナの構成を説明する図である（その２）。 実施例１における伝熱量の測定結果のグラフである。 実施例３の比較例で用いたバーナの構成を説明する図である。 実施例３における伝熱量の測定結果のグラフである。 実施例３において用いたバーナにより形成された火炎の自励振動を説明する図である。 実施例５における伝熱量の測定結果のグラフである。

［実施の形態１］
本発明の実施の形態１に係るバーナ１は、図１に示すように、先端に向かって拡開する拡開噴出口３から主燃焼用流体を自励振動させながら噴出させると共に、拡開噴出口３の両側に設けた噴出口５および７から副燃焼用流体を噴出させて燃焼させるものである。

以下、本発明における燃焼用流体について説明した後、上記の各構成を図１〜３に基づいて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

＜燃焼用流体＞
本発明において、燃焼用流体とは燃料流体、支燃性流体、あるいは燃料流体と支燃性流体の混合流体のことをいい、主燃焼用流体と副燃焼用流体の組み合わせとして、双方とも支燃性流体であるものは除外し、主燃焼用流体あるいは副燃焼用流体のいずれか一方は、燃料流体又は混合流体とする。

＜拡開噴出口＞
拡開噴出口３は、主燃焼用流体を噴出させるものであり、図１および２に示すように、主燃焼用流体を供給する主燃焼用流体供給流路９の先端部に設けられて、主燃焼用流体の流れ方向に直交する断面が矩形状である。

主燃焼用流体供給流路９の中間部の側壁９ａには、対向位置に一対のダクト開口部１１がそれぞれ設けられている。
ダクト開口部１１より上流側の主燃焼用流体供給流路９には、角筒状の直胴部１３が設けられており、ダクト開口部１１より下流側の主燃焼用流体供給流路９に拡開噴出口３が設けられている。

前述のとおり、拡開噴出口３は、先端に向かって拡開した扇形形状であり、主燃焼用流体供給流路９のダクト開口部１１設置側の側壁である拡開壁３ａと３ｂのなす拡開角度αにより表わすことができる。

ダクト開口部１１同士は、バーナ１の後部側に設けられた連通ダクト１５によって連通している。このように、バーナ１の主燃焼用流体供給流路９に、連通ダクト１５で連通した一対のダクト開口部１１を対向配置することにより、拡開噴出口３から噴出する主燃焼用流体に対して、図３に示すような、いわゆるフリップフロップノズル噴流の自励振動を発生させることができる。

すなわち、直胴部１３に流入した主燃焼用流体は、拡開噴出口３へ流出する際に、拡開噴出口３の拡開壁３ａに付着した状態（図３（ｂ）参照）と、拡開壁３ｂに付着した状態（図３（ａ）参照）を交互に繰り返して、自励振動する（左右に振れる）。

この自励振動の振幅（噴出した主燃焼用流体の振れ幅）や振動数（周波数）は、拡開噴出口３、ダクト開口部１１、直胴部１３および連通ダクト１５の各部の寸法や、主燃焼用流体の流速などといった各種条件に応じて異なる。
また、自励振動の周波数は、ダクト開口部１１の連通状態によって変動するので、連通ダクト１５に調節弁を設けてガス流量や圧力を調節することにより制御することが可能である。

＜噴出口＞
噴出口５および７は、図１に示すように、副燃焼用流体を噴出させるものであり、副燃焼用流体を供給する副燃焼用流体供給流路１７および１９の先端部に設けられたものであり、拡開噴出口３の中心軸Ｃに対して対称位置に配置されている。

そして、拡開噴出口３の拡開角度をα、噴出口５の中心軸Ｃ_ａと噴出口７の中心軸Ｃ_ｂの成す角度をβとしたときに、-5°≦β≦α+15°の関係を満たすようにαとβが設定されている。ここで、角度βは、噴出口５の中心軸Ｃ_ａを基準として反時計回りの方向（図１中、矢印の示す方向）に測ったものを正とし、時計回りの方向に測ったものを負とする。そして、噴出口５の中心軸Ｃ_ａと噴出口７の中心軸Ｃ_ｂとが交差する場合、角度βは、時計回りの方向に測った角度、すなわち負の角度で表す。

本実施の形態に係るバーナ１により自励振動する火炎の挙動を、図４に基づいて説明する。
図４においては、主燃焼用流体としては燃料流体を、副燃焼用流体としては支燃性流体を供給している。主燃焼用流体供給流路９の直胴部１３から噴出する燃料流体は、拡開噴出口３へ噴出する際に、拡開噴出口３の両側の拡開壁３ａ、３ｂに交互に付着して自励振動する（左右に振れる）状態となる。

そして、燃料流体が拡開壁３ｂに付着して噴出した場合は、拡開噴出口３の左側に位置する噴出口７から噴出した支燃性流体と混合し、拡開噴出口３の左側に火炎が形成される（図４（ａ））。一方、燃料流体が拡開壁３ａに付着して噴出した場合は、拡開噴出口３の右側に位置する噴出口５から噴出した支燃性流体と混合し、拡開噴出口３の右側に火炎が形成される（図４（ｃ））。

本発明においては、噴出口５および７から噴出する支燃性流体は、それぞれ中心軸Ｃ_ａとＣ_ｂの方向に噴出し、拡開噴出口３の拡開角度αと中心軸Ｃ_ａとＣ_ｂの成す角度βが、β≦α+15°となるように設定する。

噴出口５と７および拡開噴出口３の形状を上記のように設定することにより、火炎の自励振動による振り幅が大きくなっても、拡開噴出口３から噴出する燃料流体は、噴出口５又は７のいずれかから噴出する支燃性流体と混合して燃焼させることができるため、燃焼効率を向上させつつ火炎を広範囲に形成し、熱放射を高めることができる。

一方、角度の下限（-5°≦β）に関しては、これよりも小さくなると、拡開噴出口３から噴出する燃料流体の自励振動の振り幅は、噴出口５および７から噴出される副燃焼用流体によって制限されてしまい、火炎からの熱放射が狭い範囲となってしまう。

よって、噴出口５および７から噴出する支燃性流体は、それぞれ中心軸Ｃ_ａとＣ_ｂの方向に噴出し、拡開噴出口３の拡開角度αと中心軸Ｃ_ａとＣ_ｂの成す角度βが、-5°≦βとなるように設定する。
なお、角度βの上限値（＝α+15°）と下限値（＝-5°）については、後述する実施例にて実証する。

また、本実施の形態１に係るバーナ１において、拡開噴出口３と噴出口５（又は７）とのオフセット距離Ｌ（図２参照）は30mm程度に設定されているが、これに限定されるものではなく、適宜変更することができる。
そして、バーナ１の燃焼効率は、角度βと、拡開噴出口３と噴出口５（又は７）とのオフセット距離Ｌを代えることで調整が可能である。

なお、噴出口５および７は、図２に示すように、断面が矩形状のものであるが、この形状に限定されるものではなく、円筒状、マルチホール状などを所望の流体流量や流速に応じて適用可能である。

さらに、バーナ１の他の態様としては、図５に示すように、拡開噴出口３の左右両側に設けた噴出口５および７に加えて、拡開噴出口３の上下に第２噴出口２３および２５を設けたバーナ２１が挙げられる。

噴出口５と第２噴出口２３、２５には、それぞれ副燃焼用流体を供給できるようになっており、これらの流量を別々に設定し、所望の燃焼用流体（燃料流体、支燃性流体および混合流体）を供給することが可能である。
このとき、第２噴出口２３および２５から副燃焼用流体を噴出させる方向（第２噴出口２３と２５の中心軸の成す角度）は、特に限定されない。
なお、第２噴出口２３および２５を設けることによる効果は、後述する実施例において説明する。

［実施の形態２］
本発明の実施の形態２に係るバーナ３１を、図６に基づいて説明する。なお、前述の実施の形態１で述べた構成要素と同じ構成要素については、同一の符号を付し、以下において当該構成要素の説明は省略する。

図６に示すバーナ３１は、先端に向かって拡開する拡開噴出口３及び拡開噴出口３の両側に設けられて噴出方向に拡開する一対の側部拡開噴出口４１、５１からそれぞれ主燃焼用流体および副燃焼用流体を自励振動させながら噴出させて燃焼させるものである。
以下、図６に基づいてバーナ３１を詳細に説明する。

＜側部拡開噴出口＞
側部拡開噴出口４１および５１は、副燃焼用流体を噴出させるものであり、図６に示すように、副燃焼用流体を供給する副燃焼用流体供給流路４３および５３それぞれの先端部に設けられている。

ここで、側部拡開噴出口４１と側部拡開噴出口５１とは、それぞれの中心軸の向き（副燃焼用流体を噴出する方向）が異なるだけで、双方の構造と機能は同一であるので、以下、必要な場合を除いて、側部拡開噴出口４１について説明する。

副燃焼用流体供給流路４３の中間部の側壁４３ａには、対向する位置に一対のダクト開口部４５が設けられている。
ダクト開口部４５より上流側の副燃焼用流体供給流路４３には、角筒状の直胴部４７が設けられており、ダクト開口部４５より下流側の副燃焼用流体供給流路４３に側部拡開噴出口４１が設けられている。

そして、ダクト開口部４５同士は、バーナ３１の後部側に設けられた連通ダクト４９によって連通している。このように、副燃焼用流体供給流路４３に、連通ダクト４９で連通した一対のダクト開口部４５を対向配置することにより、側部拡開噴出口４１から噴出する副燃焼用流体に自励振動を発生させることができる。

さらに、側部拡開噴出口４１および５１の配置に関しては、図７に示すように、拡開噴出口３の拡開角度αとしたとき、内側の側部拡開壁４１ａと５１ａの成す角度をβinは、-5°≦βinの関係を満たし、かつ、外側の側部拡開壁４１ｂと５１ｂの成す角度をβoutは、βout≦α+15°の関係を満たすように、α、βinおよびβoutが設定されている。

なお、角度βinおよびβoutは、実施の形態１に係るバーナ１と同様に、側部拡開壁４１ａ又は４１ｂを基準として、反時計回りの方向に測ったものを正とし、時計回りの方向に測ったものを負とする。すなわち、図７において、角度βinは、側部拡開壁４１ａを基準として時計回りの方向に測った負の角度で表され、角度βoutは、側部拡開壁４１を基準として反時計回りの方向に測った正の角度で表される。

前述の実施の形態１に係るバーナ１においては、拡開噴出口３の両側に設けられた噴出口５と７の角度βが-5°よりも小さくなると、拡開噴出口３から噴出する主燃焼用流体（燃料流体）の自励振動の振り幅が狭く制限されてしまうので、噴出口５および７は、-5°≦βとなるように設定される。

しかしながら、本実施の形態２に係るバーナ３１において、拡開噴出口３から噴出する主燃焼用流体（燃料流体）と、側部拡開噴出口４１および５１から噴出する副燃焼用流体（支燃性流体）のいずれもが位相差なく自励振動するものであれば、内側の側部拡開壁４１ａと５１ａとの成す角度βinを-5°よりも小さく設定しても、主燃焼用流体の自励振動の振り幅は狭く制限されないため、この場合においては、βinの下限の角度を-5°よりも小さく設定してもよい。

一方、主燃焼用流体の自励振動と、副燃焼用流体の自励振動との間に位相差が生じると、主燃焼用流体の噴流と副燃焼用流体の噴流が交差し、火炎の自励振動が制限されてしまうことになり、火炎からの熱放射による伝熱面積が減少してしまう。
よって、側部拡開壁４１ａと５１ａとの成す角度βinを-5°よりも小さい角度に設定した場合においては、主燃焼用流体の自励振動と副燃焼用流体の自励振動との位相を合わせることが重要となる。

ただし、主燃焼用流体と副燃焼用流体の自励振動の位相差を合わせることは必ずしも容易であるとは限らず、位相差が生じたまま主燃焼用流体と副燃焼用流体とが自励振動しながら噴出する場合がある。

もっとも、この場合においても、側部拡開噴出口４１および５１の内側の側部拡開壁４１ａと５１ａとの成す角度βinを-5°以上に設定しておけば、実施の形態１に係るバーナ１と同様、主燃焼用流体の自励振動の振り幅が副燃焼用流体によって狭く制限されずに自励振動する火炎を形成することができる。

以上、本実施の形態２に係るバーナ３１によれば、拡開噴出口３から自励振動して噴出する燃料流体と側部拡開噴出口４１又は５１から自励振動して噴出する支燃性流体とをより良好に混合させて燃焼させることができるため、燃焼効率を向上させつつ火炎を広範囲に形成し、熱放射をさらに高めることができる。

本発明に係るバーナの効果について確認するための具体的な実験を行ったので、その結果について以下に説明する。

実施例１における実験は、図１に示すバーナ１を用いて自励振動する火炎を形成させるものであって、拡開噴出口３の拡開角度αを60°とし、噴出口５の中心軸Ｃ_ａと噴出口７の中心軸Ｃ_ｂの成す角度βを変更したバーナ１を複数本用意し、角度βが火炎からの熱放射に与える影響を確認した。

実施例１では、主燃焼用流体にLPガス、副燃焼用流体に酸素40vol%を含む酸素富化空気を用いた。そして、燃焼条件として、主燃焼用流体供給流路９を通じて拡開噴出口３にLPガスを8Nm³/hで供給するとともに、副燃焼用流体供給流路１７および１９を通じて噴出口５および７に酸素富化空気を105Nm³/hで供給し、酸素比1.05でLPガスを燃焼させた。

ここで、酸素比とは、一定量の燃料に対し量論比の何倍の酸素が供給されたかを示す値である。例えば、酸素比1.05とは、燃料を完全燃焼させるための理論的な酸素量より、やや過剰に酸素が供給されている状態であることを示す。

実験では、バーナ１の先端から600mmの位置に伝熱測定盤（図示なし）を設置し、角度βを-10°、-5°、0°、60°、75°、90°に設定したバーナ１を用い、各角度βで形成された火炎の熱放射量を、伝熱測定盤に流す冷却水への伝熱量により評価した。
伝熱測定盤とは、冷却水を流すための微小幅の水冷管を複数連結したものであり、各水冷管における冷却水の入口温度と出口温度、および冷却水の流量を測定可能なものである。

本実施例１における伝熱量の測定は、バーナ１にLPガスと酸素富化空気を供給して着火し、自励振動する火炎を伝熱測定盤に当て、伝熱測定盤における冷却水の出口と入口の温度差および冷却水の流量から各水冷管における伝熱量を算出することにより行った。

図８に、各角度βにおける伝熱量の測定結果を示す。図８において、横軸は、バーナ１の先端から600mmの位置におけるバーナ１の中心軸からの距離[mm]を表し、縦軸は、伝熱測定盤の各箇所で測定した冷却水への伝熱量[kJ/h]を表している。

β＝60°および75°の場合、他の角度の場合に比べて広範囲に熱放射が行われていることがわかる。しかしながら、β＝90°の場合においては、伝熱測定盤への総伝熱量が低下している。これは、自励振動するLPガスの振り幅よりも酸素富化空気が外側に噴出されているため、拡開噴出口３から噴出されるLPガスと十分に混合されないことが原因であると推測される。

一方、β≦0の場合、火炎の拡がりが抑えられて熱放射の範囲が中心軸に寄っている。
β＝0°および-5°の場合、熱放射される範囲にある程度の拡がりがあるが、β＝-10°の場合では、熱放射が狭い範囲に制限されてしまい、自励振動による広範囲な熱放射の効果が弱まっていることがわかる。

以上より、噴出口５および７の角度βを、-5°≦β≦α+15°とすることにより、総伝熱量を低下させず、自励振動により広範囲に熱放射することができることが示された。

実施例２では、図１に示すバーナ１を用いて自励振動する火炎を形成し、拡開噴出口３の拡開角度をα＝45°とし、角度βを-10°、-5°、0°、45°、60°、75°となるように変更し、前述の実施例１と同様に火炎からの伝熱量を測定した。

燃焼条件は、実施例１と同様に、主燃焼用流体としてLPガスを主燃焼用流体供給流路９を通じて拡開噴出口３に8Nm³/hで供給するとともに、副燃焼用流体として酸素40vol%を含む酸素富化空気を副燃焼用流体供給流路１７および１９を通じて噴出口５および７に105Nm³/hで供給し、酸素比1.05でLPガスを燃焼させた。

実験を行った結果、β＝-10°、-5°、0°としたバーナ１においては、拡開噴出口３の拡開角度αを60°とした実施例１と同様の結果が得られた。すなわち、β＝-5°、0°とした場合、火炎からの熱放射の範囲はある程度の拡がりがある良好な火炎が形成されたが、β＝-10°とした場合、熱放射が狭い範囲に制限される結果であった。

β=45°、60°（≦α+15°)としたバーナ１においては、火炎から広範囲に良好な熱放射が得られた。しかしながらβ＝75°とした場合、実施例１においてβ＝90°とした場合と同様、伝熱測定盤への総伝熱量が大きく低下する結果となった。

以上より、拡開噴出口３の拡開角度αを45°とした場合においても、一対の噴出口５および７の角度βを、-5°≦β≦α+15°とすることにより、総伝熱量を低下させず、自励振動により広範囲に熱放射することができた。

実施例３では、図１および２に示すバーナ１を用いて自励振動する火炎を形成し、拡開噴出口３の拡開角度をα＝90°とし、βを-10°〜120°の範囲で変更し、前述の実施例１および２と同様に火炎からの伝熱量を測定した。
ここで、角度β以外のバーナ１の形状は実施例１および２と同一であり、また燃焼条件についても実施例１および２と同条件とした。

β＝-5°〜0°としたバーナ１において、火炎からの熱放射の範囲は、ある程度の拡がりがあり良好な熱放射が得られたが、β＝-10°としたバーナ１では、熱放射が狭い範囲に制限される結果となった。

一方、β≦105°(＝α+15°)としたバーナ１においては、火炎から広範囲に良好な熱放射が得られるのに対し、β＞105°としたバーナ１においては、伝熱測定盤への総伝熱量が大きく低下する結果となった。

さらに、実施例３では、比較例として、拡開角度α＝90°の拡開噴出口３の拡開方向（自励振動する方向）に直交する方向に一対の噴出口６３および６５を設けたバーナ６１（図９参照）を用い、バーナ６１の前方に設置した伝熱測定盤により火炎からの熱放射を測定した。比較例においては実施例１および２と同様、拡開噴出口３にLPガスを供給するとともに、噴出口６３および６５から副燃焼用流体として酸素富化空気を噴出するものとし、LPガスと酸素富化空気の供給量と酸素比は、実施例１および２と同条件（＝1.05）とした。

図１０に、本実施例３においてβ＝0°および90°に設定したバーナ１における伝熱量と、比較例に係るバーナ６１による伝熱量の測定結果を示す。

比較例のバーナにおいて、拡開噴出口３の拡開角度がα＝90°と大きいため、火炎の振り幅が大きくなる様子が観察されたが、図１０に示すように、実施例１および２の結果と比較すると、総伝熱量は低下し、熱放射が効果的に行われていない結果となった。

これに対し、拡開噴出口３の拡開方向に噴出口５を設けたバーナ１（β＝0°および90°）においては、拡開噴出口３の拡開角度をα＝90°としても、比較例に比べると総伝熱量が低下することはなかった（図１０参照）。また、噴出口５と７の成す角度βを調整することにより、熱放射の範囲と伝熱量を適切に調整できることがわかる。

以上より、拡開噴出口３の拡開角度αを90°とした場合においても、噴出口５と７の成す角度βを、-5°≦β≦α+15°の範囲に設定することにより、総伝熱量を低下させず、自励振動により広範囲に熱放射することができた。

実施例４では、図５に示すように、拡開噴出口３の拡開方向の両側に噴出口５および７を設け、さらに拡開方向に直交する方向に第２噴出口２３および２５を設けたバーナ２１を用いて自励振動する火炎を形成し、火炎からの伝熱量を測定する実験を行った。

実施例４において、拡開噴出口３の拡開角度は、α＝60°、噴出口５と７の角度は、β＝60°、第２噴出口２３と２５それぞれの中心軸の成す角度は、γ＝0°とした。

実験は、拡開噴出口３に主燃焼用流体としてLPガスを8Nm³/hで供給するとともに、噴出口５および７と第２噴出口２３および２５に副燃焼用流体として酸素40vol%を含む酸素富化空気を105NM³/hで供給した。

ここで、酸素富化空気は、噴出口５および７と第２噴出口２３および２５それぞれに供給される流量比が6:4となるように振り分けるとともに、噴出口５および７から噴出される酸素富化空気の流速を100m/s、第２噴出口２３および２５から噴出させる酸素富化空気の流速を40m/sとした。ここで、バーナ２１において、酸素富化空気が噴出する様子は、図１１に示すようであった。

燃焼実験を行った結果、拡開噴出口３の上下方向に第２噴出口２３および２５を設けたバーナ２１を用いることにより、燃焼効率を向上し、火炎からの熱放射をさらに高めることができることが確認された。

なお、実施例４においては、第２噴出口２３と２５のなす角度をγ＝0°としたが、この角度に限定されるものではない。

実施例５では、図６および７に示すように、拡開噴出口３の両側に側部拡開噴出口４１および５１を設けたバーナ３１を用いて自励振動する火炎を形成し、火炎からの伝熱量を測定する実験を行った。

実験は、拡開噴出口３に主燃焼用流体としてLPガスを8Nm³/hで供給するとともに、側部拡開噴出口４１および５１に副燃焼用流体として酸素40vol%を含む酸素富化空気を105NM³/hで供給した。
そして、バーナ３１の先端から600mmの位置に設置した伝熱測定盤（図示なし）により伝熱量を測定した。

実施例５で用いたバーナ３１の形状については、拡開噴出口３の拡開角度をα＝60°とし、側部拡開噴出口４１と５１の内側の側部拡開壁４１ａと５１ａの成す角度をβin＝0°、側部拡開噴出口４１と５１の外側の側部拡開壁４１ｂと５１ｂの成す角度をβout＝60°に設定した。

さらに、拡開噴出口３から噴出する燃料流体の自励振動と、側部拡開噴出口４１および５１から噴出する酸素富化空気の自励振動は、位相差がない（同じタイミングで左右に振れる）ように調節して実験を行った。

図１２に、伝熱量の測定結果を示す。図１２においては、比較対象として、図１に示すバーナ１を用いて酸素富化空気を自励振動させずに噴出口５および７から噴出させた場合（実施例１におけるβ＝60°）の結果を併記している。

図１２より、バーナ３１を用いた場合においては、熱放射の範囲が拡がり、総伝熱量も増加していることがわかる。これは、側部拡開噴出口４１および５１から噴出する酸素富化空気を自励振動させることにより、自励振動する方向における燃料と酸素富化空気の混合が良好となって燃焼性が向上したためであると考えられる。

以上より、燃料流体を自励振動させて噴出する拡開噴出口の両側から噴出する酸化富化空気も自励振動させることにより、熱放射の範囲が拡がり、さらに、総伝熱量が増加できることが示された。

１ バーナ
３ 拡開噴出口
３ａ、３ｂ 拡開壁
５、７ 噴出口
９ 主燃焼用流体供給流路
９ａ 側壁
１１ ダクト開口部
１３ 直胴部
１５ 連通ダクト
１７、１９ 副燃焼用流体供給流路
２１ バーナ
２３、２５ 第２噴出口
３１ バーナ
４１、５１ 側部拡開噴出口
４１ａ、５１ａ 側部拡開壁（内側）
４１ｂ、５１ｂ 側部拡開壁（外側）
４３、５３ 副燃焼用流体供給流路
４５、５５ ダクト開口部
４７、５７ 直胴部
４９、５９ 連通ダクト
６１ バーナ（比較例）
６３、６５ 噴出口（比較例）

Claims (1)

1. 先端に向かって拡開する拡開噴出口から主燃焼用流体を自励振動させながら噴出させると共に、前記拡開噴出口における自励振動方向の両側に設けた一対の噴出口から、前記主燃焼用流体と混合して火炎を形成する副燃焼用流体を噴出させて燃焼させるバーナであって、
   前記一対の噴出口は、それぞれ自励振動しないで副燃焼用流体が噴出される拡開しない矩形筒状であり、前記拡開噴出口の中心軸に対して対称位置に配置されてなり、
   前記拡開噴出口の拡開角度をα、前記一対の噴出口の中心軸の成す角度をβとしたときに、-5°≦β≦α+15°の関係を満たすようにαとβが設定されていることを特徴とするバーナ。