TWI415947B - Top burner hot air stove - Google Patents

Description

爐頂燃燒式熱風爐

本發明係關於於燃燒系統上具有特徵之爐頂燃燒式熱風爐。

使空氣於儲蓄熱之蓄熱室流通以產生熱風，且將其供給至高爐之蓄熱式熱風爐，有使燃燒室與蓄熱室並設於圓筒外皮內之內燃式熱風爐，或將燃燒室與蓄熱室設置於不同圓筒外皮內，並在兩者之外皮之一端使兩室連通之外燃式熱風爐等，作為具備與該外燃式熱風爐相同性能，但設備費可比外燃式熱風爐要低之蓄熱式熱風爐，專利文獻1揭示有在蓄熱室上方設置與燃燒器連通之燃燒室之爐頂燃燒式熱風爐。

此處，參照圖7之模式圖，對先前之爐頂燃燒式熱風爐之構成加以概括說明。如同圖所示，先前之爐頂燃燒式熱風爐F係於蓄熱室T之上方配置有燃燒室N，在所謂之燃燒時，由燃燒器B對該燃燒室N供給(X1方向)之燃料氣體與燃燒用空氣之混合氣體在通過燃燒管道BD之過程中被點燃、燃燒成為高溫燃燒氣體流入燃燒室N。該燃燒管道BD俯視時，相對於燃燒室N，設置於複數個部位，高溫燃燒氣體一邊在燃燒室內大幅旋轉一邊流向下方，燃燒氣體在蓄熱室T流下之過程(X2方向)中，其熱於蓄熱室T蓄積，而通過蓄熱室T之燃燒氣體經由煙道E排出。再者，燃燒器B與燃燒管道BD在本說明書中統稱為燃燒系統。

另一方面，在將熱風供給至未圖示之高爐即所謂之送風時，關閉控制燃燒管道BD內之遮斷閥V，且經由送風管S將例如150℃左右之空氣供給至蓄熱室T，空氣在蓄熱室T內上升之過程中產生例如1200℃左右之熱風，該熱風經由熱風管H供給至高爐(X3方向)。

然而，提升上述爐頂燃燒式熱風爐所裝備之燃燒器之燃燒效率係該技術領域需解決之重要問題之一，眾所周知的是為提升該燃燒效率，除取得使燃料氣體與燃燒用空氣充分混合之混合氣體之外，使點火點穩定亦極為重要。此外，亦已知若點火點不穩定，則會導致燃燒管道內或燃燒室內之點火點變動，其成為振動燃燒之原因。

為謀求該點火點之穩定，在專利文獻2中，揭示有在燃燒器與燃燒器端口(燃燒管道)之間設置環狀凸起，且將該凸起附近作為點火點以使點燃位置穩定之熱風爐用氣體燃燒器，該熱風爐用氣體燃燒器之結構如圖8所模擬。

從同圖來看，經由燃燒器B供給之燃料氣體與燃燒用空氣係在燃燒器B內或燃燒管道BD內混合而產生混合氣體。於燃燒管道BD內之中途位置設置有環狀凸起R，藉由該凸起R來縮小燃燒管道BD之口徑，燃燒管道BD相較於該凸起R，具有氣體流動方向之上游側空間BD1、與燃燒室N側之下游側空間BD2。

藉由如此於燃燒管道BD內設置環狀凸起R以縮小口徑，使得該凸起R附近容易成為點火點，因此其附近形成所謂之穩焰部。再者，藉由該凸起R會產生氣體之紊流，從而 進一步促進燃料氣體與燃燒用空氣之混合。

然而，若於燃燒管道BD之中途位置設置如圖所示之凸起R形成穩焰部，則由於上游側空間BD1之下游側存在有縮小口徑之凸起R，故若假設在上游側空間BD1內點火，則上游側空間BD1內之氣體會升溫從而體積急劇膨脹，並因該氣體體積之急劇膨脹，導致上游側空間BD1內之壓力上升，從而阻礙來自燃燒器B之燃料氣體或燃燒用空氣之供給，有導致其滅火之問題。

若氣體供給受阻並產生滅火，則上游側空間BD1內之壓力下降，受阻之燃料氣體或燃燒用空氣之供給會重新開始，從而再次點火。

如此，藉由於燃燒管道BD之中途位置設置凸起R，從而產生點火與滅火重複出現之所謂之點滅現象，其成為需要解決之新問題。

[專利文獻1]日本特公昭48-4284號公報

[專利文獻2]日本特開昭52-89502號公報

本發明係鑒於上述問題而完成者，其目的在於提供一種可在燃燒管道內之期望位置使點火點穩定，且消除點滅現象之產生並具備高燃燒效率之燃燒系統之爐頂燃燒式熱風爐。

為達成上述目的，本發明之爐頂燃燒式熱風爐包含：蓄 熱室，其具備被供給熱風用空氣之送風管；與燃燒室，其具備將熱風供給至高爐之熱風管與燃燒系統，且配設於蓄熱室上部；且該爐頂燃燒式熱風爐係藉由從燃燒系統供給至燃燒室之燃料氣體與燃燒用空氣之混合氣體之燃燒，令蓄熱室升溫，並經由熱風管將熱風用空氣通過蓄熱室之過程中所生成之熱風供給至高爐者；上述燃燒系統係包含：燃燒器，其具備燃料氣體管與燃燒用空氣管；與燃燒管道，其與燃燒器之燃燒器出口連通；燃燒管道係經由燃燒管道出口連通於燃燒室，且從燃燒管道之中途至燃燒管道出口，設置有將燃燒管道之口徑擴大之口徑擴大部，於該口徑擴大部形成在燃燒管道內流向燃燒室側之混合氣體之渦流者。

本發明之爐頂燃燒式熱風爐之特徵點係對構成該燃燒系統之燃燒管道施以改良，從燃燒管道之中途至連通於燃燒室之燃燒管道出口，具備將燃燒管道口徑擴大之口徑擴大部，且燃料氣體與燃燒用空氣之混合氣體在該口徑擴大部流動時，會在此處產生渦流，該渦流會捲入鄰接之燃燒室內之高溫氛圍，藉此使口徑擴大部保持高溫，因而可將口徑擴大部作為穩焰部形成穩定之點火點位置。另，於口徑擴大部產生之渦流除混合氣體之渦流以外，亦包含混合氣體在該口徑擴大部點燃所產生之燃燒氣體之渦流。

由於口徑擴大部面向燃燒室，故在其氣流之下游側不存在如先前技術般將口徑縮小之區域，因此，不可能產生重複滅火與點火之點滅現象。

再者，如上所述，由於口徑擴大部成為穩焰部，故可將此處控制為穩定之點火點。

此外，由於該燃燒管道之結構係僅擴大其一部分口徑之極其簡單之結構改良，故製作成本亦不會增多。

另，由燃燒器供給之燃料氣體與燃燒用空氣可在燃燒器內形成混合氣體(所謂之預混方式)，亦可在流入燃燒管道後形成混合氣體(所謂之噴嘴混合)。例如，在燃燒器為同心三孔式之多重管結構，燃料氣體與燃燒用空氣在各自管路內流通之形態中，例舉有各管路向燃燒管道側傾斜，且流入燃燒管道後混合之形態，或於各管路內設置旋轉用葉片等，於管路內形成之氣體螺旋流在燃燒器內或燃燒管道內形成混合氣體之形態等。

又，亦可為在燃燒管道中，於燃燒器出口附近設置有將燃燒管道口徑縮小之口徑縮小部，在該口徑縮小部形成燃料氣體及燃燒用空氣之混合氣體之形態。

本實施形態係為進一步促進燃料氣體與燃燒用空氣之混合，而在燃燒管道之燃燒器出口附近，即離燃燒室較遠之位置設置有口徑縮小部者。

作為該口徑縮小部之實施形態，可例舉與先前技術相同之環狀之凸起，但從提高氣體混合性之觀點來看，可應用其內部空間從燃燒器側向燃燒室側逐漸縮徑之形態之環狀凸起等。

又，「燃燒器出口附近」意指燃燒器出口位置、或較設置於燃燒管道中途之遮斷閥更靠向燃燒器側之任意位置， 是指排除先前技術中靠近燃燒室之位置。此外，即使於燃燒器出口附近設置口徑縮小部，亦由於在口徑縮小部之上游側不會引起點火，故亦不會產生點滅現象。

根據本實施形態之燃燒管道，可以口徑縮小部進一步促進燃料氣體與燃燒用空氣之混合，且將充分混合之混合氣體導入作為穩焰部之口徑擴大部，並在該處點火、燃燒。

又，將燃燒管道之直徑設為D時，較佳之實施形態為口徑擴大部之至燃燒管道出口為止之長度在0.3D~1.4D範圍內。

本發明者等係進行比較先前結構之燃燒系統與構成本發明之爐頂燃燒式熱風爐之燃燒系統各自之燃燒效率之實驗。

更具體而言，係以未燃CO氣體量來特定燃燒效率之高低，以構成本發明之熱風爐之燃燒管道之特徵構成之口徑擴大部長度，即以口徑擴大部之至燃燒管道出口為止之長度作為參數，分別測定在各實驗模型中之未燃CO氣體量者。

該實驗之結果，證實在將燃燒管道之直徑設為D時，口徑擴大部之至燃燒管道出口為止之長度在0.3D~1.4D範圍內之情形，未燃CO量(比例)最少。

上述實驗結果係特定給予燃燒效率最佳值之口徑擴大部之長度範圍者，根據本發明者等，由於若口徑擴大部之長度比1.4D長，則口徑擴大部之穩焰性能下降，點火位置之穩定性可能下降，及若口徑擴大部之長度小於0.3D，則在 燃燒室內大幅旋轉之燃燒氣體會成為側風波及口徑擴大部內，其可能成為滅火之原因等之觀點，故本實驗中所特定之口徑擴大部之長度為最佳長度。

由上述說明可知，根據本發明之爐頂燃燒式熱風爐，在其構成要素即構成燃燒系統之燃燒管道中，從其中途至連通於燃燒室之燃燒管道出口，設置有擴大口徑之口徑擴大部，藉此可在燃料氣體與燃燒用空氣之混合氣體於該口徑擴大部流動時，於此處產生渦流，該渦流捲入鄰接之燃燒室內之高溫氛圍，從而使口徑擴大部保持高溫，因而將口徑擴大部作為穩焰部使點火點穩定，且消除點滅現象而提高燃燒效率。

以下，參照圖式對本發明之爐頂燃燒式熱風爐之實施形態加以說明。

圖1係顯示本發明之爐頂燃燒式熱風爐之一實施形態之模式圖，且為一起顯示混合氣體、燃燒氣體、熱風用空氣及熱風各自之流向之圖，圖2係顯示圖1之II-II向視圖，圖3係顯示圖1之III-III向視圖，且為顯示燃燒室內燃燒氣體之流向之圖。再者，圖4係顯示燃燒管道之一實施形態之縱剖面圖。

圖1所示之爐頂燃燒式熱風爐10係於蓄熱室4之上方配置有燃燒室3，由燃燒器1供給至該燃燒室3(X1方向)之燃料氣體與燃燒用空氣之混合氣體在通過燃燒管道2之過程中 被點火、燃燒形成高溫之燃燒氣體並流入燃燒室3。另，燃燒系統包含：燃燒器1、與燃燒管道2。

如圖3所示，燃燒管道2在俯視時，相對於燃燒室3設置於4個部位，各燃燒管道2均在燃燒氣體流入燃燒室3之方向未通過俯視時圓形之燃燒室3之中心O之偏心位置與燃燒室3連通，作為其結果，自各燃燒管道2流入燃燒室3內之燃燒氣體與自其他鄰接之燃燒管道2流入燃燒室3內之燃燒氣體干擾，各燃燒氣體之流動方向被轉換，於燃燒室3內形成如圖所示之大量燃燒氣體之旋流X4。

該燃燒氣體如圖3所示俯視時邊旋轉邊自縱剖面以圖1之X2方向形成下降之螺旋流一邊於蓄熱室4流下，在該流下過程中，其熱於蓄熱室4蓄積，通過蓄熱室4之燃燒氣體經由開啟控制遮斷閥7a之煙道管7排出。且，先前結構之爐頂燃燒式熱風爐係為促進燃燒而促進上述燃燒氣體之平面旋轉者，而圖示之爐頂燃燒式熱風爐10中燃燒氣體之平面旋轉之主要目的係儘可能均一地將該燃燒氣體供給至蓄熱室4，故與先前結構之熱風爐之燃燒室相比，燃燒室3之規模可視為小規模者。

如圖2所示，燃燒器1係同心3孔式之多重管路，如圖4所示，使燃燒用空氣A1於內側管1b流動，燃料氣體G於中管1c流動，另外之燃燒用空氣A2於外側管1d流動，各管路一起向燃燒管道2側縮徑(傾斜)，藉此，使該等在流入燃燒管道2內之階段相互混合而產生混合氣體。此外，於各管路流動之燃料氣體與燃燒用空氣可以相反之態樣流動，亦可 在各管路內設置旋轉彈簧，使氣體在各管路流動之過程中產生螺旋流，且在燃燒管道內使螺旋流彼此混合之形態。

返回至圖1，將熱風供給至未圖示之高爐時，關閉控制燃燒管道2內之遮斷閥2a、煙道管7內之煙道閥7a，經由已開啟控制遮斷閥6a之送風管6，將例如150℃左右之高溫空氣供給至蓄熱室4，高溫空氣在蓄熱室4內上升之過程中形成例如1200℃左右之熱風，該熱風經由已開啟控制遮斷閥5a之熱風管5供給至高爐(X3方向)。

如圖4所示，於燃燒管道2，從其中途至燃燒管道出口2b設置有將其口徑D1擴大之口徑擴大部2c(口徑D2)，在燃燒管道2內流向燃燒室3側之混合氣體MG在通過該口徑擴大部2c之過程中產生渦流ED，該渦流ED捲入鄰接之燃燒室3內之高溫氛圍(參照圖4中從燃燒室3指向口徑擴大部2c之箭頭)，從而使口徑擴大部2c保持高溫，因而口徑擴大部2c成為穩焰部，此處成為穩定之點火點位置。另，此處所形成之渦流ED除包含混合氣體以外，混合氣體MG在口徑擴大部2c點火所產生之燃燒氣體成分亦包含於渦流ED。此外，如圖4所示，將燃燒管道2中向口徑擴大部2c過渡之角部倒角(形成錐狀)，藉此，可容易產生渦流ED，再者與未倒角之情形相比，可顯著降低該區域中耐火材料之脫落等。

該口徑擴大部2c除產生混合氣體MG之渦流ED，自燃燒室3捲入高溫氛圍，形成穩焰部來穩定點火點之外，由於未縮小該氣流之下游側，因此亦不會產生重複點火與滅火 之點滅現象。

如此，圖示之燃燒管道2係僅在其燃燒室3側之一定區域內設置有口徑擴大部2c之極其簡單之結構改良者，因此，為不會增加製作成本，保證燃燒管道2內之點火穩定性，消除點滅現象，且燃燒性優良者。

另一方面，圖5所示之燃燒管道2A係在燃燒器出口1a附近設置有將燃燒管道2A之口徑縮小之環狀口徑縮小部2d者。同圖中，口徑縮小部2d之內徑為D3。

在從燃燒器1向燃燒管道2A傾斜之管路1b、1c、1d中流過來之燃料氣體G或燃燒用空氣A1、A2在流入燃燒管道2A後混合，藉由在燃燒管道2A之燃燒器出口1a附近設置口徑縮小部2d，可進一步促進燃料氣體G與燃燒用空氣A1、A2之混合。其後，在燃燒管道2A內流向燃燒室3側之混合氣體MG係在通過口徑擴大部2c之過程中產生渦流ED，該渦流ED捲入鄰接之燃燒室3內之高溫氛圍(參照圖5中從燃燒室3指向口徑擴大部2c之箭頭)，藉此口徑擴大部2c保持高溫，因而口徑擴大部2c成為穩焰部，此處成為穩定之點火點位置。此外，圖示之口徑縮小部2d雖配設於自燃燒器出口1a略微離開之位置，但亦可配設於燃燒器出口1a之位置。

[關於燃燒管道之燃燒效率之實驗與其結果]

本發明者等係進行比較先前結構之燃燒系統(比較例)與構成本發明之爐頂燃燒式熱風爐之燃燒系統(實施例)各自之燃燒效率之實驗。

實驗之概要係關於如圖4所示之燃燒系統，試作使燃燒管道之口徑擴大部長度L在0D1(無口徑擴大部)~2D1產生各種變化之複數種燃燒系統，並測定各燃燒系統之未燃CO氣體量，將無口徑擴大部之情形之測定量標準化為1，並以相對於其之比率來特定各測定量者。其結果如圖6所示。

由圖6可知，證實有未燃CO氣體量係在口徑擴大部之長度至0.3D1之前成減少趨勢，在0.3D1處形成彎曲點，為無口徑擴大部之情形之1/4，且隨著口徑擴大部之長度進一步變長而減少直至1/13，其後轉為增加，在1.4D1處形成彎曲點，為無口徑擴大部之情形之1/4。

在本實驗中雖證實了自燃料消耗率之觀點來看，口徑擴大部之長度較佳在0.3D1~1.4D1之範圍內，然根據本發明者等，作為該口徑擴大部之長度較佳之其他理由，由於若口徑擴大部之長度過長，則其穩焰性能下降，點火位置之穩定性可能下降，若口徑擴大部之長度過短，則在燃燒室內大幅旋轉之燃燒氣體會成為側風波及口徑擴大部內，其可能成為滅火之原因，故仍確定其為最佳長度範圍。

以上，雖使用圖式對本發明之實施形態加以詳細說明，但具體之構成係並不限定於該實施形態，在不脫離本發明主旨之範圍內之設計變更等，該等亦涵蓋於本發明中。

1‧‧‧燃燒器

1a‧‧‧燃燒器出口

1b‧‧‧內側管

1c‧‧‧中管

1d‧‧‧外側管

2‧‧‧燃燒管道

2A‧‧‧燃燒管道

2a‧‧‧遮斷閥

2b‧‧‧燃燒管道出口

2c‧‧‧口徑擴大部

2d‧‧‧口徑縮小部

3‧‧‧燃燒室

4‧‧‧蓄熱室

5‧‧‧熱風管

6‧‧‧送風管

7‧‧‧煙道管

10‧‧‧爐頂燃燒式熱風爐

A1‧‧‧燃燒用空氣

A2‧‧‧燃燒用空氣

D1‧‧‧口徑

D2‧‧‧口徑

ED‧‧‧渦流

G‧‧‧燃料氣體

L‧‧‧口徑擴大部長度

MG‧‧‧混合氣體

圖1係顯示本發明之爐頂燃燒式熱風爐之一實施形態之模式圖，且為一起顯示有混合氣體、燃燒氣體、熱風用空 氣及熱風各自之流向之圖。

圖2係顯示圖1之II-II向視圖。

圖3係顯示圖1之III-III向視圖，且為一起顯示燃燒室內燃燒氣體之流向之圖。

圖4係顯示燃燒管道之一實施形態之縱剖面圖。

圖5係顯示燃燒管道之其他實施形態之縱剖面圖。

圖6係顯示關於燃燒管道之口徑擴大部之長度與未燃CO量之關係之實驗結果之圖表。

圖7係顯示先前之爐頂燃燒式熱風爐之一實施形態之模式圖，且為一起顯示混合氣體、燃燒氣體、熱風用空氣及熱風各自之流向之圖。

圖8係顯示先前之燃燒管道結構之模式圖。

1‧‧‧燃燒器

1a‧‧‧燃燒器出口

1b‧‧‧內側管

1c‧‧‧中管

1d‧‧‧外側管

2‧‧‧燃燒管道

2a‧‧‧遮斷閥

2b‧‧‧燃燒管道出口

2c‧‧‧口徑擴大部

3‧‧‧燃燒室

A1‧‧‧燃燒用空氣

A2‧‧‧燃燒用空氣

D1‧‧‧口徑

D2‧‧‧口徑

ED‧‧‧渦流

G‧‧‧燃料氣體

L‧‧‧口徑擴大部長度

MG‧‧‧混合氣體

Claims (2)

1. 一種爐頂燃燒式熱風爐，其包含：蓄熱室，其具備被供給熱風用空氣之送風管；與燃燒室，其具備將熱風供給至高爐之熱風管與燃燒系統，且配設於蓄熱室上部；且該爐頂燃燒式熱風爐係藉由從燃燒系統供給至燃燒室之燃料氣體與燃燒用空氣之混合氣體之燃燒，令蓄熱室升溫，並經由熱風管將熱風用空氣通過蓄熱室之過程中所生成之熱風供給至高爐者；上述燃燒系統包含：燃燒器，其具備燃料氣體管與燃燒用空氣管；與燃燒管道，其與燃燒器之燃燒器出口連通，且燃燒管道係經由燃燒管道出口連通於燃燒室；燃燒管道係至其中途為止之內徑為D1，從中途至燃燒管道出口則設置有將燃燒管道內徑擴徑而成之內徑D2之口徑擴大部，於該口徑擴大部形成在燃燒管道內流向燃燒室側之混合氣體之渦流；相對於燃燒管道的至前述中途為止之內徑D1，口徑擴大部的至燃燒管道出口為止之長度係在0.3D1~1.4D1之範圍內；藉由上述渦流自上述燃燒室捲入高溫氛圍，形成穩焰部，從而使點火點穩定。
2. 如請求項1之爐頂燃燒式熱風爐，其中在燃燒管道中燃燒器出口位置，設置有將燃燒管道之內徑縮徑之口徑縮小部，在該口徑縮小部形成燃料氣體及燃燒用空氣之混合氣體。