TWI807525B - 具有固定葉片的燃燒器 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種燃燒器，其包括一具有中心孔的燃燒器主體、一渦流發生器插件具有複數個葉片賦予渦流模式，以最小壓力損失強制空氣從一空氣入口端軸向流過渦流發生器、一環形燃料燃氣歧管具複數個氣體噴射嘴圍繞定位於其360度的區間上並鄰近於該側壁上、一混合室位於燃氣歧管的下游用以混合來自氣體噴射嘴的燃料氣體與離開渦流發生器插件的空氣以產生一燃料/空氣混合物、一燃燒室位於混合室的下游、及一點火器通道延伸穿過燃燒器主體用以將點火器定位在混合室的下游從而點燃進入燃燒室的燃料/空氣混合物。
Description
本發明係有關於一種燃燒器，尤指一種具有固定葉片的燃燒器。
戈登(Gordon)等人之名為「提供低氮氧化物(NOx)排放的煙道氣再循環燃燒器」的美國專利號5,562,438是一具有固定葉片的燃燒器的範例。其圓柱形切向混合器通過軸向入口分別接收燃燒空氣和煙道氣。混合的空氣和氣體通過一個“葉片式擴散器”得以延續切向模式流動，然後切向引入燃料並產生燃燒。
本發明提供了一種燃燒器，該燃燒器包括一管狀燃燒器主體，該管狀燃燒器主體具有一側壁、一空氣入口端、一中心孔延伸於該空氣入口端和該燃燒氣體出口端之間、及一渦流發生器插件橫跨定位於該中心孔。該渦流發生器插件具有複數個葉片，該等葉片賦予一渦流模式，以最小的壓力損失強制將空氣從該空氣入口端軸向流入該渦流發生器插件。一環形燃氣歧管位於中心孔中。該燃氣歧管具有複數個氣體噴射嘴圍繞定位於其360度的區間上並鄰近於該側壁上。一混合室位於該燃氣歧管的下游，用以混合來自該氣體噴射嘴的氣體燃料與離開渦流發生器插件的空氣，從而產生一燃料/空氣混合物。一燃燒室位於混合室的下游。一點火器通道延伸穿過上述燃燒器主體以將點火器定位在混合室的下游，從而點燃進入燃燒室的燃料/空氣混合物。
與標準通風燃燒器相比，所述燃燒器具有更高的燃料效率，
並且產生更低的氮氧化物(NOx)排放，這將在下文中進一步描述。
10:燃燒器
12:燃燒器主體
12A:第一部分
12B:第二部分
14:側壁
16:空氣入口端
18:燃燒氣體出口端
20:中心孔
22:渦流發生器插件
24:葉片
26:燃氣歧管
27:供氣通道
28:噴嘴
30:混合室
32:環形線軸
34:燃燒室
36:點火器通道
40:第一法蘭
42:第二法蘭
44:螺栓
46:傳感器通道
D:直徑
Q:每單位長度的向前流速
r:半徑
R:旋度
有關本發明之詳細說明及技術內容，將配合圖式說明如下，然而所附圖式僅作為說明用途，並非用於侷限本發明。
圖1係本發明燃燒器之側立面圖。
圖2係本發明圖1所示的燃燒器的燃燒氣體出口端之第一端立面圖。
圖3係本發明圖1所示的燃燒器的燃燒氣體出口端之第二端立面圖。
圖4是沿圖3的剖面線4-4截取之剖面圖。
圖4A是圖3的簡化圖示，其上面疊加了關鍵參數。
圖5是圖1所示的燃燒器之從進風口端觀之立體分解圖。
圖6是圖1所示的燃燒器之從出風口端觀之立體分解圖。
現在參照圖1至6所標記為10的燃燒器描述如下。
零件的結構和關係
參閱圖4本發明的較佳實施例提供一種燃燒器，該燃燒器10包括一管狀燃燒器主體12，該管狀燃燒器主體具有一側壁14、一空氣入口端16、一燃燒氣體出口端18、及一中心孔20延伸於該空氣入口端16和該燃燒氣體出口端18之間。
參閱圖2至4，一渦流發生器插件22橫跨定位於上述中心孔20。如圖6所示，上述渦流發生器插件22具有複數個葉片24。在圖4中，該等葉片24賦予一渦流模式，以最小的壓力損失強制將空氣從該空氣入口端16軸向流入該渦流發生器插件22。渦旋發生器被稱為“插件”是因為它是被“插入”該中心孔20中的基座位置。通過以不同特性的另一插入物替該換
渦流發生器插件22，可以改變渦流模式。每個渦流發生器插件22為一收斂噴嘴具有引起循環流動的葉片24。為了提供最小的壓力損失，渦流發生器插件22是相對較薄並且具有超過其長度的直徑。
如圖4所示，一環形燃氣歧管26位於上述中心孔20中。該燃氣歧管26通過一供氣通道27接收燃氣。如圖6所示，上述燃氣歧管26具有複數個氣體噴嘴28。在組裝時，該等氣體噴嘴28圍繞定位於上述燃氣歧管26之360度的區間上並鄰近於該側壁14。
在圖4中，一混合室30位於上述燃氣歧管26的下游，用以混合來自氣體噴嘴28的燃料氣體與離開渦流發生器插件22的空氣，從而產生一燃料/空氣混合物。在圖5和圖6所示之較佳實施例中，一環形線軸32定位於上述混合室30中。如下文所述，由上述環形線軸32規定的混合室30的直徑在所謂的“渦流係數”中扮演著一角色。
在圖4中，一燃燒室34位於混合室30的下游。如圖2和圖3所示，一點火器通道36延伸穿過燃燒器主體12。如圖4所示，一點火器通道36的定位將點火器(圖中未示)設置於混合室30的下游，以點燃進入燃燒室34的燃料/空氣混合物。
上述空氣渦流的特性由一種包括渦流發生器插入的葉片節距、葉片數量和表面紋理以及燃燒室34的半徑與環形線軸32的直徑比的組合來控制。
如圖5和6所示，為了便於組裝，上述燃燒器主體12，較佳地由容納混合室30的第一部分12A和容納燃燒室34的第二部分12B組成。第一部分12A具有一第一法蘭40。第二部分12B具有一第二法蘭42。如圖1所示，燃燒器主體12通過將第一部分12A的第一法蘭40與第二部分12B的第二法蘭42連接來組裝。參考圖4至圖6，在組裝過程中，渦流發生器插件22是定位在燃氣歧管26內，然後使用螺栓44將環形線軸32和燃氣歧管26固定在燃燒器主體12的第一部分12A。
如圖2和圖3所示，為了改進監測，較佳地，在燃燒器主體12
中提供一傳感器通道46以插入一傳感器用以監測燃燒過程。合適的傳感器採用FIREYE品牌。
作業：
如圖4所示，強制空氣進入中心孔20並沿中心孔20前進，直到空氣撞擊渦流發生器插件22的三個偏轉葉片24，從而對空氣產生渦流模式。該渦流質量沿著中心孔20繼續前進，直到它通過燃氣歧管26從氣體噴嘴28中吸收氣體的地方。燃燒器空氣流是處於比氣體壓力更高的壓力，並因為氣流快速衝過，所以在氣體噴嘴28處產生低壓區。氣體噴嘴28圍繞中心孔20以360度佈置，其與拉動燃料的空氣結合，使得燃料氣體在漩渦氣流中均勻分佈。這種旋轉的混合物沿中心孔20向下前進，通過混合室30，然後到達燃燒室34後被點燃。火焰將錨定在燃燒室34的第一部分處的側壁14上。該熱渦漩物質短暫停留在燃燒區之後，繼續向下前進及離開燃燒室34並進入一器具(圖中未示)。如果此器具是一殼式加熱器的火管，熱渦漩物質將繼續沿火管向下旋轉，從而產生非常有效的熱傳遞。與目前的自然通風燃燒器相比，我們可希望能將這種設備的燃料消耗減少40%。
在圖4A中，上述渦流發生器插件的概念可以與龍捲風的動力學相比較。在該應用中，使沿中心孔20流動的軸向強制空氣流以類似於龍捲風的方式旋轉。有一些控制渦流的關鍵參數，我們將其稱為“渦流係數”。渦流係數的一個關鍵參數是混合室30的直徑“D”，這可以通過改變環形線軸32的尺寸來調整。渦流係數的另一個關鍵參數是相對混合室30直徑“D”之燃燒室34的半徑“r”。渦流係數的另一個關鍵參數是每單位長度的向前流速Q。渦流係數的另一個關鍵參數是渦流發生器插件22的葉片24賦予的旋度“R”.這可以用公式表示：
如以上所述，燃燒器10可使用過量空氣降低火焰溫度以幫助減少產生的熱氮氧化物NOx。通過正確配置燃燒管，排氣流速度可以增加
到150英尺/秒，預計溫度至少為1800華氏度。當氣壓發生變化時，儀器和程序能保持適當的燃料/空氣比。該燃燒器和支援裝置一旦針對海拔高度(現場位置)進行編程設定，則可能僅在設備移動到新位置時才需要微調。
優點：
燃燒器10是設計為一低NOx、高調節率、低成本和高傳熱的渦流燃燒器。與控制燃料/空氣比的儀表相結合，該燃燒器可以產生100%燃燒，廢氣中不存在一氧化碳(CO)，及氧(O2)含量為1%至6%。
這種設計非常靈活，即使在調節時也能保持100%的燃燒效率。它可以燃燒亞化學計量或在廢氣流中使用額外的氧氣O2。燃燒合成氣、現場氣、天然氣或丙烷時不需要改變燃燒器中任何硬件。以設定燃料/空氣比進行燃燒是非常穩定和可靠。排氣流速度可以根據特定需求而增加到。該燃燒器可以在100PSI或幾英寸WC的空氣壓力下運行，具體取決於孔徑和英熱單位(BTU)的要求。
通過嵌入孔壁中的複數個噴射嘴的氣體分佈被設計為最大均勻分佈，其中旋轉氣團被循環流推向孔壁。為了簡化結構和降低成本，渦流發生器插件被設計成使燃燒空氣產生渦流運動，同時通過該裝置的壓力損失最小。渦流運動的特性可以使用另一個不同特性的渦流發生器插件替換一個渦流發生器插件來改變。
在本專利文件中，詞語“包括”以其非限制性意義使用以表示包括該詞語之後的項目，但不排除未具體提及的項目。不定冠詞對元素的引用不排除存在多個元素的可能性，除非上下文明確要求存在一個且僅一個元素。
權利要求的範圍不應被作為闡述實施例的圖示所限制，而應被給予並考慮到整個描述的權利要求的目的性構造一致的最廣泛的解釋。
10:燃燒器
12:燃燒器主體
12A:第一部分
12B:第二部分
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18:燃燒氣體出口端
20:中心孔
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32:環形線軸
34:燃燒室
36:點火器通道
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Claims (3)
- 一種燃燒器，包括：一管狀燃燒器主體，具有一側壁、一空氣入口端、一燃燒氣體出口端和一中心孔延伸在該空氣入口端和該燃燒氣體出口端之間；一渦流發生器插件，橫跨定位於該中心孔，該渦流發生器插件具有複數個葉片，該等葉片賦予一渦流模式，強制將空氣從該空氣入口端軸向流入該渦流發生器插件；一環形燃氣歧管，呈環狀，位於該中心孔中，並使該渦流發生器插件定位在該燃氣歧管內，該燃氣歧管具有複數個氣體噴嘴圍繞定位於其360度的區間上並鄰近於該側壁上及在該複數個葉片的下游，以便在將渦流模式施加到強制空氣的軸向流上之後允許將燃料氣體噴射到強制空氣的軸向流中；一混合室，位於該燃氣歧管的下游，用以接收來自該複數個氣體噴嘴的氣體燃料與離開該渦流發生器插件的空氣，從而混合該氣體燃料及該強制空氣來產生一燃料/空氣混合物；及一點火器通道，延伸穿過上述燃燒器主體以將點火器定位在混合室的下游，從而點燃進入燃燒室的燃料/空氣混合物。
- 根據請求項1所述的燃燒器，其中一環形線軸定位在該混合室中以改變該混合室的直徑。
- 根據請求項1所述的燃燒器，其中該燃燒器主體包括容納該混合室的第一部分和容納該燃燒室的第二部分，該第一部分具有第一法蘭，該第二部分具有第二法蘭，該燃燒器通過將該第一部分的第一法蘭與該第二部分的第二法蘭耦合連接來組裝該燃燒器主體。
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