专利名称：喷火燃烧器的制作方法
喷火燃烧器技术领域
本发明喷火燃烧器，涉及一种燃用气体燃料的燃烧方法及装置。是利用火流分 段的多级喷射分批带入预热的二次空气对燃烧过程進行控制的一种燃烧方法及装置的简 称。
背景技术：
本发明是把工业锅炉控制燃烧过程的部分方法、经验移植到家用燃气装置的燃 烧器上進行的一种创造，从根本上改变了大气式燃烧器不控制燃烧过程的燃烧方法。目 的在提高热效率来节约能源，减少污染来保护环境。
目前，市面上出售的家用燃气装置(如燃气炉、燃气灶、燃气热水器等)所使 用的燃烧器，大多数为大气式燃烧器。人们把这类燃烧器统称为大气式燃烧器，是因为 气体燃料通过此类燃烧器使用的燃烧方式属于大气式燃烧方式，燃料燃烧时，其化学能 转化为热能的全过程完全在大气中自然進行。尽管燃烧器的生产厂家不同，燃烧器的形 状结构各异；无论气体燃料和空气進入燃烧器前是否经过预热处理、或者经过何种程度 的混合处理，它们的共同特点是气体燃料和空气混合组成的可燃气体在从燃烧器火孔喷 出之前，燃烧尚未发生。也就是说，燃料的化学能通过燃000000烧转化成热能的化学反 应尚未开始。由于可燃气体是从燃烧器火孔喷出，進入大气后，才被着火点燃，开始燃 烧。所以，燃料的化学能转化为热能的燃烧的化学反应也是从此时才开始发生。点燃后 的可燃气体在大气中燃烧、流动、扩散的过程中，又不断的从大气中补充所需的氧气继 续燃烧，直至燃烧结束。整个燃烧过程均直接在大气中，在完全不受外来控制的状态下 自然進行。这也是大气式燃烧方式的最主要特征。
长期以来，人们在使用大气式燃烧器积累的经验中，已经普遍认识到，其热效 率长期处于低位，损失接近一半，实在可惜。而至今仍难以消除的“黑锅”、“结碳” 现象，实质是不完全燃烧，是一种公害的标志。许多制造厂商为改善不良状况做了大 量工作，使用的方式包括扩散混合、精细混合、迷宫通道；旋转炉头、旋转火焰、内 旋、外旋、上升旋、内外旋等各种方法。上述方法旨在提高热效率，减少不完全燃烧， 但是至今还没有找到根治这类公害的最佳方法，热效率长期处在55%左右徘徊的局面也 未突破。以至于新的国家标准(GB16410-2007)仍然只能把燃气灶的热效率定位在原来 的2 55%的位置。大家都在大气式燃烧方式这个框架内去求证解决办法，而没有去质疑 这类装置是否已经到了该更新换代的时候了。
目前，发电厂燃用煤粉的大型锅炉，其热效率一般都在90%以上，有的已经达 到92%。为什么燃用煤粉的锅炉都能达到如此高的热效率，而燃用气体燃料的燃气炉热 效率却如此低呢？究其原因不难发现，这些锅炉都是对整个燃烧过程進行了强有力的控 制，而不是任其燃烧过程在大气中自然進行。燃煤锅炉采用了诸如把空气预热后引入燃 烧系统；根据燃烧的需要分批供给一次风、二次风、三次风；按负荷的变化及时调整一 次风、二次风的比例等，都是在对燃烧过程進行控制，从而达到加速提高燃烧温度，提高化学反应速度，体现出强化燃烧的实效。当然要实现这一系列的控制，本身就是一个 巨大的系统工程。在小小的家用燃具上要把它照搬过来，显然不可能。但是，它们控制 燃烧过程的先進理念和行之有效的方法、经验之中，是否也有值得可取之处呢？这恰是 我们要结合家用燃气装置的特点，進行开发创新的初衷。发明内容
本发明基于工业锅炉燃烧控制理论，对燃烧过程進行控制。在重庆大学锅炉教 研组编写的《锅炉燃烧过程》一书中，介绍了这样的方法和经验
“正确组织燃烧过程的方法是把空气分成一次空气和二次空气，再把二次空气 分成若干小批，逐步加入。”
“一次空气量不能太多”
“二次空气要分批進入，等第一批空气烧光后再送入第二批。”
“二次空气每批的量不能太多”
这里所说的一次空气，就是指在燃料着火点燃之前同燃料混合的空气。这个空 气无论在混合前是否经过了预热，只要是在燃料着火点燃之前進入燃料系统参加混合的 空气，统称为一次空气。而二次空气则是专指燃料在燃烧过程中進入燃烧系统参加燃烧 反应的空气。
大气式燃烧器采用的大气式燃烧方式，实际上也是把空气分成了一次空气和二 次空气。在(
图1A)中，气体燃料通过控制阀从喷嘴D1喷出進入混流管(或混合室)D2 时带入的部分空气就是一次空气。气体燃料同一次空气在D2内混合成可燃气体后，再从 D2喷出。从认喷出的可燃气体直接進入大气中，并立即被点燃，着火燃烧，燃烧中补给 的空气就是二次空气。这时的二次空气完全直接从大气中自然补给。也就是说，大气式 燃烧方式也把空气分成了一次空气和二次空气，只是它没有“再把二次空气分成若干小 批逐步加入”。
在大型锅炉中，分期分批的供给二次空气，有庞大的控制系统和专门的配套风 机、动力伺候。而在小小的家用燃具上，这一切条件都不可能存在。燃料燃烧之前唯一 可以利用的动力，就是气体燃料的势能。在(图1A)中燃料喷嘴D1就是利用气体燃料的 压力同大气压力之间的压力差形成的射流带入一次空气。当混合的可燃气体从D2喷出开 始燃烧后，这部分的动力也就基本被耗用完了。但是，当我们注意到可燃气体燃烧时出 现的温度升高、体积膨胀、流速加大这一物理现象可以利用来作为射流的动力带入二次 空气的时候，我们就可以为加入二次空气开创一条新的途径。
(图1)是我们创造的利用分段燃烧形成多级喷射分批加入二次空气的方法及装 置的工作原理图。其中(图1A)代表了一种可燃气体供给装置，气体燃料通过控制阀从 喷嘴D1喷出并带入一次空气進入D2,混合均勻后再从认喷出，气体燃料和一次空气的混 合都是在这一阶段完成；从另一角度看，它又是典型的大气式燃烧方式的工作原理图。
在(图IB1)中，从混流管D2喷出的可燃气体，不是像(图1A)中那样可以直 接喷入大气中進行燃烧，而是直接喷入导燃管H1后，在导燃管H1内進行燃烧。与此同 时，第一批二次空气也从导燃管H1的下端入口進入导燃管H1内参加燃烧。也就是说， 在导燃管H1内有气体燃料、一次空气和第一批二次空气共同参加燃烧。但是，一次、二次空气受進口断面的限制，不能无限制的進入。当進入的一次空气和第一批二次空气中 的氧气不能满足進入的气体燃料完全燃烧的需要时，那么从导燃管H1上端喷出的燃烧气 流的气体成分中，就不只是含有燃料完全燃烧后生成的烟气，还含有尚未燃烧的气体燃 料、游离碳和其他未完全燃烧的可燃成分在里面。以下我们把这股尚含有可燃成分的燃 烧气流称为火流。火流的一个重要特征是过剩空气系数α < 1而带有还原性。
在(图IB2)中，从喷燃管(上一级的导燃管因在本级起喷燃管的作用，故又称喷 燃管，下同)H1喷出的火流，在進入导燃管H2的同时，又把第二批二次空气带入导燃管 H2内共同参加燃烧。当补充的第二批二次空气仍不能满足可燃成分完全燃烧的需要时， 又会形成新的火流从H2上端喷出進入H3内并带入第三批二次空气参加燃烧。如此继续 下去，直至补充的二次空气能满足可燃成分完全燃烧的需要时，利用火流的喷射带入二 次空气的任务也就完成了。
(图IBn)表示从喷燃管Hi1喷出的火流在進入导燃管Hn的同时，又把第η批 二次空气带入Hn内参加燃烧。此时补充的二次空气已经能够满足燃烧的需要并出现过剩 空气了，所以也就不再设置下一级导燃管了。
我们从(图1)提供的采用分段燃烧形成多级喷射的方法，实现了把二次空气分 成若干小批逐步加入的目的。虽然这个方法与工业锅炉利用二次风机强行供风的方法 完全不同，但在成就“把二次空气分成若干小批逐步加入”的实践中，却有异曲同工之 妙。
工业锅炉在控制燃烧过程中还采用了一个重要的辅助手段，就是用热空气来供 给送风。为此装置了庞大的空气预热器，从排出的烟气中回收热能来加热空气。既改 善了燃烧条件又节省了能源，一举两得。但是在小小的家用燃气装置上要安装一套庞大 的空气预热器从排烟中回收热能，同样是不现实的。那么，不能用排烟的热能来加热空 气，能不能用其他方法来获得热空气，改善燃烧条件呢？为此，我们又创造了直接从燃 烧产生的热能中分流一部分来加热空气的方法。
(图2、是本发明创造的通过管壁分流燃烧中产生的热能来加热二次空气的方法 和装置的工作原理图。由于图2是在图1的基础上发展形成的，故在图1中已经说清楚 的内容，在图2中就不再重复。为便于对照展示工作原理，图2中还使用了与图1相同 的图例和代号。
(图2)中描述了一套带有η级导燃管的燃烧器。燃烧器的各级喷燃管(或导燃 管)仅仅是在(图IBn)的基础上進行了加长处理，使比邻的两管之间的承插深度增长。 这样一来，火流分段燃烧形成的多级喷射所带入的二次空气经过加长的承插管段之间的 间隙進入导燃管燃烧之前的过程中，就会受到加热。由于火流都是在各级喷燃管出口处 最先同新加入的二次空气相接触，故管口处的燃烧反应最强烈，管口温度很高，有时管 口还会被烧红。高温的管口通过金属管壁传热，就会使整个管壁都处在高温状态，而各 层管壁之间的间隙又都很小，所以通过管壁之间的间隙流过的二次空气就会同时受到强 烈的辐射、传导和对流的换热作用而使温度迅速升高，从而实现了把经过预热的二次空 气送入导燃管参加燃烧的目的。
(图幻是本发明利用火流分段的多级喷射分批带入预热的二次空气对燃烧过程 進行控制的燃烧方法及装置的工作原理图。实际上图3就是在图2的各级导燃管的中心轴线上插入了一根导流芯T而构成。导流芯T通常为圆锥形，也可以用圆柱形(包括塔 柱形)，其作用是既能造成中心火流呈环形断面流动又能引导火流在流动过程中不断的从 中心向外圆扩散，从而优化火流与预热后的二次空气的混合、燃烧状态。
综上所述可以看出，我们创造的利用火流分段的多级喷射分批带入预热的二次 空气对燃烧过程進行控制的燃烧方法，是由火流和两个方法共同组成。一个是利用分段 燃烧形成多级喷射分批加入二次空气的方法；另一个是通过管壁分流燃烧中产生的热能 来加热二次空气的方法。
我们创造的这套装置主要由三个部分组成第一部分是可燃气体供给装置，由 图3中的控制阀、喷嘴D1和混流管D2所对应的部分组成；第二部分是火流分段喷燃装 置，这是本发明的核心部件，主要是由一组多层的同心金属管组成，管型可用渐缩渐扩 管，也可以用直管或混合管，在图3中对应的部分为氐到1111，本部分管件组装时要求一 定要同心，而且要求管材能耐受高温而不变形；第三部分为导流芯T，组装时也要求一 定要同心，要求其材质能耐受高温而不变形。
本发明的主要目的就是要提高热效率来节约能源，减少污染来保护环境。因此 怎么对症下药，采用最佳方式来达到我们的目的就体现在我们的主要手段上。
首先，我们采用强化燃烧的手段，用预热后的二次空气供给燃烧，使化学反应 速度一开始就处在一个高效的起点上。紧接着我们又用分段燃烧的方式，使燃烧温度逐 级向上攀升，促進化学反应的完全進行，为燃烧过程创造了最有利的外部条件，从而保 证了燃料的化学能能够最充分的转化为热能。然后我们又用强化换热的手段，把转化出 的热能充分利用起来，实现热效率的大幅度提高。我们强化换热的手段是辐射、传导、 对流全方位的加强。当然其中也有侧重，因为喷火燃烧器和大多数大气式燃烧器一样， 换热的主要途径是靠燃烧产生的烟气分子(供热体)与锅底或热交换器的管壁等(受热 体)接触时的传导换热为主。所以侧重也在强化传导换热。这恰恰是本发明的优势所 在。因为传导换热的强度，在其他外部条件确定后，它是和供热体和受热体之间的温度 梯度成正比的。也就是说，烟气同受热体接触时，其温度的高低起着至关重要的作用。 由于喷火燃烧器在组织燃烧过程中，“二次空气要分批進入，等第一批空气烧光后再送 入第二批”，这就必然发生燃烧过程形成分段燃烧的状态。火流在每一分段進出口之间 的温度差，皆取决于该分段加热速度与散热速度的平衡。在任一燃烧分段中，当燃烧所 增加的热能大于向外散失的热能时，温度就会升高；反之则会降低。因为在每一分段 中，進入的一批二次空气都会在这一分段中全部烧光，以后来的二次空气，则是属于下 一分段了。这就是说，在末级以前的每个燃烧分段都没有过剩空气存在。所以在每一分 段中燃烧所产生的热能，除了消耗在進入该分段的二次空气自身的加热和向外散热损失 外，就直接反映到了加热速度的变化上。由于每一级的喷燃管都处于导燃管之内，故直 接向外散热不大；从燃烧中分流来预热二次空气的热能，随着二次空气進入燃烧后，又 回到了燃烧系统，没有任何损失；特别是不存在加热过剩空气的耗热问题，所以加热速 度总是呈现上升趋势，使得火流通过每一级分段燃烧之后，温度总是向上提高。当火流 到达分段燃烧的最后一级(这里所说的最后一级，不单指装置结构的最后一级，也包含 低负荷时火流中的可燃成分接近燃烬前所到达的最后一级)时，由于过量空气的加入， 也会出现温度升速减缓，但从各分段燃烧的全过程来看，燃烧后的温度总是处在节节上升的状态，这就保证了燃烧后生成的烟气温度始终保持在高温状态，从而在传导换热过 程中占据了得天独厚的优势。
另外，从燃烧状态来看，喷火燃烧器的燃烧过程基本处在半悬浮燃烧状态，兼 容了火床燃烧和悬浮燃烧的优点。既善于保持燃烧的稳定，又善于适应各种形状的受热 体進行热交换。烟气以一束环状气流的形式从最后一级导燃管喷出，同受热体接触后再 迅速散开，贴近受热体流动，发挥着其对流换热的优势。
在辐射换热方面，一个特征是管口温度高。因为火流都是在各级喷燃管出口处 最先同新加入的二次空气相接触，故管口处的燃烧反应最强烈，管口温度很高，有时管 口还会被烧红，从而使辐射换热得到加强。另一个特征是当负荷减小，末级导燃管位置 向内龟缩时，靠近中心管口的温度不仅不降低，反而会升高。这是因为随着负荷的减 小，通过喷燃管管壁分流去加热空气的耗热量也减少了，结果形成聚集在管口的热能增 长，管口温度升高，辐射强度加大。这一特征的好处在于当负荷降低时，传导和对流换 热的势头减弱了，但是辐射的加强，导燃管内呈现出金属烧红后的颜色，维持导燃管内 温度，又弥补了其它换热的不足。所以在低负荷时也能维持较高的换热效率。
其实，各种大气式燃烧器经过厂家多年的改進后，燃烧效率都很高，燃料的化 学能绝大部分都能够转化为热能了。化学不完全燃烧损失早已不是限制热效率提高的关 键。关键问题转移到了能量的传递过程中。如何把燃烧后所产生的热能充分利用起来成 为整体热效率能否大幅度提高的主要矛盾。本发明正是抓住了这一主要矛盾，在注重强 化燃烧的同时又特别注重了强化换热工作，才使喷火燃烧器能够实现热效率的大幅度提 尚ο
下面我们从减少各种损失的角度来评估本发明所获得的成效。为了便于界定各 种损失的范围，我们借用哈尔滨工业大学锅炉教研室编写的《小型锅炉设计与改進》一 书中的一个简易计算锅炉效率的公式来帮助评估，即
权利要求
1.一种喷火燃烧器，利用火流分段的多级喷射分批带入预热的二次空气对燃烧过程 進行控制的燃烧方法，其方法特征包括(1)通过本燃烧方法形成的火流为一种过剩空 气系数a < 1而带有还原性的燃烧气流；(2)利用分段燃烧形成多级喷射分批带入二次 空气的方法；(3)通过管壁分流燃烧中产生的热能来加热二次空气的方法。
2.一种喷火燃烧器，利用火流分段的多级喷射分批带入预热的二次空气对燃烧过程 進行控制的燃烧装置，其装置特征包括(1)可燃气体供给装置；(2)火流分段喷燃装 置；(3)导流芯；(4)附属装置节能盏。
3.如权利要求1所述的利用分段燃烧形成多级喷射分批带入二次空气的方法，其特征 为利用分批供给二次空气的方式来实现分段燃烧，使燃烧过程分段進行；分批供给二 次空气而每批的量不是太多，用控制二次空气進口断面面积的方法来控制二次空气的每 批進入量；分批供给二次空气，使上一批空气烧光后再送入下一批空气。
4.如权利要求2所述的火流分段喷燃装置，其特征为一组多层套装的金属管，内 层金属管的外径与外层金属管的内径之间留有一定间隙，由(图3)中从氏到1111的n个 导燃管组成(n是大于1的正整数，通常n都不小于3);由多层套装金属管构成的各级导 燃管具有共同的一根中心线。
5.如权利要求2所述的附属装置节能盏，其特征是附属装置节能盏的反射屏下面 有一层由隔热材料组成的隔热层。
全文摘要
本发明喷火燃烧器，是利用火流分段的多级喷射分批带入预热的二次空气对燃烧过程進行控制的一种燃烧方法及装置的简称。是把工业锅炉控制燃烧过程的部分方法、经验移植到家用燃气装置的燃烧器上进行的一种创造，从根本上改变了大气式燃烧器不控制燃烧过程的燃烧方法。能实现提高热效率来节约能源，减少污染来保护环境。又是大气式燃烧器更新换代，开创家用燃气装置跨入新纪元的最佳选择。
文档编号F23N3/00GK102022727SQ20091017869
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月19日 优先权日2009年9月19日
发明者徐乃信 申请人:徐乃信