TW202340649A - 渦流燃燒器 - Google Patents
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Abstract
本發明主要揭示一種渦流燃燒器，該渦流燃燒器具備至少一入口用以供空氣和燃燒氣體進入一燃燒器外殼內，該燃燒器外殼的遠端具備一出口連接到一火管。一中心桿具有一近端固定在燃燒器外殼上和一遠端延伸經過燃燒器外殼而進入火管的遠端。一渦流生成器誘發在該中心桿周圍的空氣和燃燒氣體混合物產生一螺旋氣流。一點火器通過該燃燒器外殼的點火器入口插入該燃燒器外殼內以點燃該混合物。
Description
本發明係關於燃燒器和燃燒裝置；更具體而言，本發明係關於一種渦流燃燒器。
一般「渦流」是指「一團旋轉的流體」，而「渦流燃燒器」是一種包含渦流生成器的燃燒器。各種渦流生成器有著不同形式的設計，例如：一種利用切向氣體射流使氣態燃料得以旋轉運動的渦流生成器。在Van Eerden等人發明之美國專利第5,697,776號，專利名稱為「漩渦燃燒器」己公開了其中之一例子。
通常，與火管一起使用的燃燒器的一端會產生非常高的溫度，而當熱氣體流向出口時，火管的其餘部分會遇到溫度梯度。渦流燃燒器拉伸氣體燃燒而產生火焰，使熱量會更均勻地沿著火管的長度分佈。渦流通常以非常高的速度旋轉來保持它的完整性，因此不易分解成湍混流。儘管渦流生成器會產生高速旋轉的空氣柱，但它的移動速度可能不足以克服在湍流燃燒區的湍混流，因此渦流會迅速分解。相關業者已嘗試並提出改進建議來解決此類渦流生成器的問題。
本發明公開了一種具有燃燒器外殼的渦流燃燒器，該燃燒器外殼具有將燃燒氣體引入燃燒器外殼的氣體入口、將燃燒空氣引入燃燒器外殼的空氣入口和位於燃燒器外殼遠端的出口。燃燒器外殼的遠端是火管所在的位置。渦流生成器與相關聯的燃燒器外殼產生渦流。點火器入口設置在燃燒器外殼中，點火器通過該入口插入燃燒器外殼中以點燃空氣和燃
燒氣體的混合物。中心桿具有一近端固定到燃燒器外殼的和一遠端延伸經過燃燒器外殼而進入火管。
本發明公開了一種渦流燃燒器。該渦流燃燒器同樣包括燃燒器外殼，該燃燒器外殼具有至少一個入口，空氣和用於燃燒的氣體通過該入口進入燃燒器外殼內，一被配置為連接到火管的遠端，以及一位於遠端的出口。渦流燃燒器還包括中心桿，其近端固定在燃燒器外殼上，遠端延伸經過燃燒器外殼而進入火管；渦流生成器，用於引起在中心桿周圍的空氣和燃燒氣體的混合物產生一螺旋氣流；以及點火器入口，點火器通過該入口插入燃燒器外殼以點燃混合物。
研究發現中心桿的設置通常有助於避免渦流被破壞，因為渦流是傾向保持於中心桿的長度範圍內。當燃料和空氣沿著內部中心桿混合時，燃燒可能只發生在渦流的外部。燃燒後產生的氣體是熱的且密度較低，可能被迫徑向向外以保持與火管的圓周接觸，而密度較大的未燃燒空氣和燃料將與火焰沿著整個火管長度延伸。當火管連接到燃燒器外殼的遠端時，中心桿延伸火管的大部分或全部長度可能是特別有利於避免渦流被破壞。然而，應當理解，即使僅有部分中心桿向下延伸到火管的情況下，同樣可以獲得上述有利的結果。
儘管設置惰性中心桿可以獲得有利的結果，但使用導熱材料製成的中心桿則更為有利。在使用過程中，中心桿可能會變得熾熱，並可用作未燃燒空氣和燃料的二次點火器。例如：導熱材料為金屬或陶瓷的中心桿可獲得相當好的結果。
扶正器支架支撐件可設在燃燒器外殼用以供居中和支撐中心桿。如上所述，雖然使用渦流燃燒器可以獲得相當有利的結果，但是如果扶正器支架是電性絕緣體，中心桿與燃燒器外殼即會互相電性絕緣。在電性絕緣的情況下，中心桿可以用作火焰檢測系統的火焰校正棒。
目前有各種利用渦流生成器產生所需氣流的方法。如上所述，可定向切向氣體射流以產生旋轉運動，或提供固定葉片以產生旋轉運
動。例如：渦流生成器可限定與中心桿相切的進氣口，使得穿過進氣口的空氣被強制引起螺旋氣流。在詳細的描述中，進氣口被設為與中心桿相切並且強制空氣結合進氣口的切向取向，用以供渦流生成器誘發螺旋氣流。當縮徑減速器設置在進氣口中，及空氣進入燃燒器的外殼時，上述設計可進一步增加空氣速度而獲得更好的結果。
為了達成上述目的，中心桿可以是實心或中空。研究發現中空的中心桿是特別有利以定義環形孔。這使得補充流體入口能夠連接到中心桿的近端處的環形孔，以提供流體從中心桿的近端到遠端的流動路徑。
所需流體的類型可能取決於其用途。流體可以是來自另一個過程中產生的廢氣。流體也可以是由空氣組成。
本案之實施例可以包括上述特徵的組合。參考附圖的描述可以使得以下及其他技術特徵更為明顯，值得注意的是附圖僅供說明本發明的技術特徵，並不企圖以任何方式限制本發明的範圍，其中：
10:渦流燃燒器
12:燃燒器外殼
14:氣體入口
16:空氣入口
18:出口
20:遠端
24:渦流發生器
26:點火器入口
28:中心桿
30:近端
32:遠端
34:適配器
36:縮徑部分
38:扶正器支架
40:環形孔
42:補充流體入口
44:石英窗端口
100:火管
101:聯軸器
102:點火器
104:鼓風機
圖1是渦流燃燒器連接到火管的側視圖；
圖2是圖1沿A-A剖面所示之渦流燃燒器連接到火管的剖視圖；
圖3是拆除了火管後的渦流燃燒器的側視圖；及
圖4是圖3沿B-B之剖面圖。
現以圖1至圖4說明本發明之渦流燃燒器10之組件結構及關係如下。
如圖3所示，本發明之渦流燃燒器10具有燃燒器外殼12，該燃燒器外殼12具有至少一個入口。該入口可包括氣體入口14和空氣入口16，燃燒氣體通過該氣體入口14被引進到燃燒器外殼12內，及空氣通過該空氣入口16被引入到燃燒器外殼12內。如圖2所示，在燃燒器外殼12的遠端20處有
一出口18。如圖1及2所示，一火管100連接到燃燒器外殼12的遠端20。這類連接可以是永久性連接，例如焊接，或使用聯軸器101的可拆卸性連接。在各種實施例中，火管100和聯軸器101可以是後來才添加的單獨組件，它們可以不與渦流燃燒器10一起出售。
如圖2所示，渦流發生器24與燃燒器外殼12互相關聯並產生渦流，這將在下文中進一步描述。
如圖1及3所示，渦流燃燒器10包括一點火器入口26，供一點火器102插入該燃燒器外殼12內用以點燃該從空氣入口16進入的空氣和從氣體入口14進入的氣體的混合物。在各種實施例中，該點火器102可能是後來才添加的單獨組件，例如：它們可與渦流燃燒器10一起出售。
如圖2及3所示，一中心桿28，具有一近端30固定在燃燒器外殼12上、及一遠端32延伸經過該燃燒器外殼12的遠端20而進入該火管100。中心桿28的定位在中心桿28和火管100之間定義出一環形空間。如圖2所示，一鼓風機104連接到空氣入口16。在各種實施例中，可以用活塞泵代替鼓風機104。在各種實施例中，也可以用渦輪機迫使空氣通過空氣入口16。如圖4所示，一適配器34定位於空氣入口16中。鼓風機104可產生強制氣流通過空氣入口16。適配器34可確保強制氣流與中心桿28相切。這些特徵可使渦流發生器24誘發圍繞中心桿28的螺旋氣流。研究發現具一縮徑部分36的適配器34是特別有利於增加進入或吹入燃燒器外殼12的空氣的速度。應可理解，如果空氣入口16被切向定位，則不再需要適配器34了，除非是要達到減速器作用的目的。在各種實施例中，鼓風機104可能是後來才添加的單獨組件，例如：它們可與渦流燃燒器10一起出售。
如圖2所示，當火管100連接到燃燒器外殼12的遠端20時，研究發現如中心桿28能盡量大部分或全部延伸至火管100內部，即能獲得更大或可能最大的使用中心桿28的好處。正如下文將要描述的，這可將渦流區域延伸至火管100的長度。研究發現中心桿28由導熱材料製成是特別有利的，例如：金屬或陶瓷。這可以促進中心桿28在使用過程中發燙，並且可
以使中心桿28用作未燃燒空氣和氣體的二次點火器。正如在下文中將進一步描述的，這可以將燃燒區延伸至火管100的長度。
如圖2所示，一系列(一或多個)扶正器支架38用於將中心桿28居中和支撐在燃燒器外殼12內。研究發現如果每個扶正器支架38都是電性絕緣體是特別有利於將中心桿28與燃燒器外殼12互相電性絕緣。當電性絕緣時，中心桿28可用作火焰檢測系統的火焰校正棒。火焰檢測系統的使用是本領域現有技術，因此將不再進一步描述。
如圖2所示之最佳實施實例中，中心桿28是空心的，以便定義出一個環形孔40。這使得補充流體入口42能夠連接到中心桿28的近端30處的環形孔40，為流體從中心桿28的近端30到遠端32的提供了流動路徑。
參見圖1和圖2，本發明提供一用於火焰檢測系統(例如：商標為“FireEye”的系統)的石英窗端口44。
本發明之渦流燃燒器10之操作將說明如下。
如圖2所示，來自鼓風機104的強制空氣供應到空氣入口16。如圖4所示，空氣通過適配器34，適配器34強制氣流與中心桿28相切。適配器34的縮徑部分36可有助於進一步增加強制進入燃燒器外殼12的空氣的速度。如圖1所示，點火器102通過點火器入口26延伸到燃燒器外殼12中，以點燃來自燃燒器外殼12的空氣入口16的空氣和氣體入口14的燃燒氣體的混合物。當空氣和燃燒氣體的混合物被點燃時，渦流燃燒器10產生環繞中心桿28的快速旋轉的火焰。鑑於以前渦流會在燃燒引起的湍流中衰減，而中心桿28的設置有助於維持渦流在中心桿28的整個長度上。
不受理論的束縛，中心桿28能夠保持渦流的原因可能與燃燒發生的方式有直接關係。例如：當燃料和空氣在沿中心桿28的旋轉渦流中混合時，燃燒可能只發生在渦流的外側。例如：由高溫和密度較低的燃燒產生的燃燒氣體可能會被迫徑向向外以保持與火管100的圓周內側壁接觸，而密度較大的未燃燒空氣和燃料可能會將火焰向下延伸到整個火管100的長度。
在操作中，空氣和燃料的比例可以在化學計量和過量氧氣之間進行調整。體積和混合物可以在很大的動態範圍內變化，具體取決於燃料氣體熱量。研究發現如果中心桿28延伸至火管100的大部分或全部長度時是十分有利的。這可以使火焰和隨後的熱能沿著中心桿28伸展並均勻分佈在火管100的長度上。如果能用火管100作為加熱氣體和液體的熱交換器，這是非常理想的。
如上所述，在一些實施例中，中心桿28可以是實心的，同樣可以獲得上述的好處。如圖2所示，研究發現空心的中心桿28特別有利於定義環形孔40，使補充流體入口42能夠連接到中心桿28的近端30處的環形孔40，為流體從中心桿28的近端30到遠端32提供了流動路徑。在各種實施例中，根據欲實現的目標，流體的流動可能是為焚化目的而引入的另一個過程的廢氣。例如：流體的流動可以是為了提供額外用於燃燒的氧氣而引入的補充氧氣。此特徵可以使渦流燃燒器10更能通用於各種應用。
本文描述的實施例提供了本發明技術的可能實現方式之非限制性示例。在審閱本發明的技術特徵後，本領域的普通技術人員將了解到在此不脫離本技術的範圍的情況下可對所描述的實施例作出改變。例如：可以使用非空心的中心桿。本領域的普通技術人員也可以實施進一步的修改，而這些修改亦將落在本發明技術的範圍內。
10:渦流燃燒器
12:燃燒器外殼
14:氣體入口
16:空氣入口
20:遠端
24:渦流發生器
26:點火器入口
28:中心桿
30:近端
32:遠端
34:適配器
36:縮徑部分
38:扶正器支架
40:環形孔
42:補充流體入口
44:石英窗端口
100:火管
101:聯軸器
102:點火器
104:鼓風機
Claims (12)
- 一種渦流燃燒器，包括：一燃燒器外殼，具有至少一個入口供空氣和用於燃燒的氣體進入該燃燒器外殼、一遠端連接到一火管、及一位於該遠端的出口；一中心桿，具有一近端固定在燃燒器外殼上、及一遠端延伸經過該燃燒器外殼而進入該火管；一渦流發生器，以引起該中心桿周圍的空氣和氣體混合物產生一螺旋氣流；及一點火器入口，供一點火器插入該燃燒器外殼內用以點燃該混合物。
- 如請求項1所述之渦流燃燒器，其中該至少一個入口包括：一氣體入口用以供該氣體進入該燃燒器外殼內；及一空氣入口用以供空氣進入該燃燒器外殼內。
- 如請求項1所述之渦流燃燒器，其中該火管連接到該燃燒器外殼的遠端。
- 如請求項3所述之渦流燃燒器，其中該中心桿延伸經過該燃燒器外殼的遠端，而進入該火管的大部分之長度內。
- 如請求項1所述之渦流燃燒器，其中該中心桿是由導熱材料製成。
- 如請求項5所述之渦流燃燒器，其中該導熱材料是金屬或陶瓷之一。
- 如請求項1所述之渦流燃燒器，其中，該渦流燃燒器進一步包括一扶正器支架，用以供居中和支撐該中心桿在該燃燒器外殼內。
- 如請求項7所述之渦流燃燒器，其中，該扶正器支架是一種電性絕緣體用以將該中心桿與該燃燒器外殼互相電性絕緣。
- 如請求項1所述之渦流燃燒器，其中，該渦流生成器定義有一與該中心桿相切的空氣入口，誘發強制通過空氣入口的空氣產生一螺旋氣流。
- 如請求項9所述之渦流燃燒器，其中，該渦流燃燒器進一步包括一位於該空氣入口中且直徑縮小的減速器，以增加強制空氣的速度。
- 如請求項1所述之渦流燃燒器，其中，該至少一個入口包括一空氣入口與該中心桿相切，用以供該空氣進入該燃燒器外殼內，及該渦流生成器包括一鼓風機用以產生強制氣流通過該空氣入口，從而誘發產生該螺旋氣流。
- 如請求項1所述之渦流燃燒器，其中，該中心桿是中空的，從而定義出一環形孔，一補充流體入口與位於該中心桿近端的環形孔連接，以提供一從中心桿的近端到遠端的氣體流動。
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