专利名称：高效煤气炉的制作方法
本申请是序号为08/189,207申请日为1994.01.31的申请之续，而该申请又是序号为07/983,885申请日为1992.12.01的申请、现为美国专利5,282,457号之续。
本发明涉及用来使一建筑物或其封闭部分内的空间加热的加热系统。更具体地说，本发明涉及强制送空气式及/或液体或锅炉式的加热系统。
现有技术的用于住宅或商业建筑或其封闭部分内的强制送空气式/锅炉式加热炉的尺寸较大，废气排放水平低、热效率低，常需要巨大的排气系统如烟囱，因此对许多用途很不实用。
使用燃气、油或其他可燃材料的现有技术加热炉的较低的热效率已为资料所确证。大多数现有加热炉的效率小于75％并需巨大的排气系统的烟囱以便将不需要的燃烧产物排放到外面大气中。烟囱常在大大超过300F°(150℃)的温度下排放燃烧产物。较新的加热炉的“高效”设计曾宣称其成果是利用现有技术所达到的实用的最高限度。这些高效单元采用引风机马达来从较大表面积的热交换器上抽取燃烧产物从而可不需烟囱。高效加热炉采用2″(50.8mm)和6″(152.4mm)的排气管替代烟囱来将有毒的燃烧产物排放到外界的大气中。这些较新设计的高效加热炉的热效率可达90％，但他们并没有宣布所有的热效率项目。
当宣布总体的热效率时有一个项目是需要宣布的即燃烧空气的来源。现有技术的加热炉是从要加热的建筑物或住所内抽取燃烧空气的。这需要加热较大体积的空气从而降低了总体的热效率。较新的高效设计曾宣称这方面他们是通过管道抽取外界空气来供燃烧过程使用的。
在效率这个范围内还有最后一个项目需要宣布即开/停的周期数。在美国的北部区域和加拿大，这种每年的开/停周期数可达20000。每一次开/停周期都在周期开始时造成一个不稳定状态下的低效率，这个现象一直要继续到达到稳定状态为止。能够在一较长时期内维持燃烧的加热单元显然能够减少这种开/停周期数并从而提高总体热效率。同样，开/停周期数能够直接联系到单元的使用寿命。减少每年的开/停周期数，加热单元的期望使用寿命便可提高。
这里提出的本发明对上述效率项目所要宣称的是，它是用一个独特的预先混合的设计与加压/高速的燃烧过程结合以便提供可变的燃烧速率，燃烧过程使用外界的空气并且不需排放用的抽风机马达。这种加热炉显示的热效率水平为95％及以上，所需的排气管直径小于1″(25.4mm)。本发明的多种的燃烧速率和独特的过程控制系统使加热单元能够达到最大的总体热效率。
本发明要宣称的第二个方面涉及来自燃烧过程的废气排放的质量。现有技术的加热炉并不宣布废气排放水平，而新的“高效”设计只是把焦点集中在提高效率水平上而很少或没有关心废气排放水平问题。现有技术加热炉中有一些最新的设计曾力图减少废气排放污染，它们用少量的过剩空气来降低火焰温度从而降低氮氧化合物NOx的排放水平。而本发明的废气排放质量是通过其独特设计的预先混合系统得来的，该系统能使参与反应者得到较有效的混合从而使燃烧过程进行得完全。高速/超大气压的预先混合物还可增加燃烧的速率，从而显著地降低NOx的生成量。本发明在燃烧过程内也利用过剩空气以便进一步改善废气排放水平。
本发明要宣称的第三方面是加热单元的物理尺寸和重量。现有技术的加热炉包括传统的和高效设计的都需要大量的空间并且都很笨重。现有技术加热炉的尺寸/重量项目当与烟囱或较大直径管道的烟道排放要求结合起来便可使某些用途无法实现。这些烟道排放要求使高效加热炉在许多公寓和商业建筑中的应用成为不切合实际。结果，这些公寓和商业建筑不得不采用价高而热效率较低的电加热器。而本发明应用一种高对流的热传递过程，可使加热单元造得相当小而紧凑。本发明的加热炉不仅紧凑而且对其放置方式不敏感，因此同一单元可以放在水平的或直立的位置上。本发明所需的排气管道直径可小于1″(25.4mm)，因此能够作出可变通的设计以便适合各种选定的布置。本发明的高效燃气炉重量很小、占地紧凑并且只需较小的排气管道以致能够安装在涮洗间、碗柜或类似的空间内。
结合附图参阅下面关于本发明的说明当可对本发明的上述的和其他的特征、目的和达到这些目的所用的方式以及本发明本身具有更清楚的了解。在附图中
图1为按照本发明的加热炉的部分切开的透视图；图2为按照本发明的加热炉的各个元件的示意图；图3为图1中所示加热炉的热交换器的部分切开的透视图；图3A为图3中所示热交换器的侧立视横截面图4为本发明的加热炉所用的表面燃烧燃烧器的透视图；图5为本发明的加热炉所用的高压喷射燃烧器的透视图；图6为按照本发明另一个实施例的热交换器的部分切开的透视图；图6A为图6中所示热交换器的侧立视横截面图；图7为按照本发明另一个实施例的热交换器的透视图；图7A为图7中所示热交换器的侧立视横截面图；图8为本发明的加热炉所用的控制组件的示意图；图8A与图8类似，但为本发明另一实施例所用控制组件的示意图；图9为本发明的加热炉所用的换热式废气排放系统的部分用横截面示出的纵向视图；图10为按照本发明另一实施例的燃烧器组件的透视图；图11为图10所示燃烧器组件与按照本发明另一实施例的热交换器结合时的部分切开的透视图；图11A为图10所示热交换器的侧立视横截面图；以及图12为按照本发明另一实施例的燃烧器组件的透视图。
现在参阅附图，其中同一标号指几个图中相同或相当的零件。图1所示为一高效煤气炉，该炉用来加热一个建筑物及/或一个住所或其一个封闭部分内的空间，该炉笼统地用标号10指出。
高效煤气炉10具有一个燃料供应系统12，一个空气供应系统14，一个混合单元16，一个压缩机系统18，一个燃烧器系统20，一个燃烧室22，一个热交换器系统24，一个排气管26，一个中央控制单元28，一个鼓风机组件系统30和一个控制/安全系统32。
空气通过空气供应系统14供应到加热炉10上。空气供应系统14通过一个入口34将空气提供给混合单元，该入口通常通过一根管子36与建筑物或住所之外的大气连通以便引入外界空气供燃烧过程使用。入口34也可与建筑物或住所内的大气连通，并在建筑物或住所内抽取燃烧用的空气。进来的新鲜空气及/或预热的新鲜空气行经一个空气滤清器38。空气滤清器的尺寸和型式取决于各种参数其中包括压缩机的要求和进来的空气的质量。空气滤清器可从空气流中去掉不要的灰尘和其他污染微粒，从而可以保护混合单元16、压缩机系统18和燃烧器系统20。有一计量控制阀40在滤清器38之后和混合单元16之前连接到入口34上。控制阀40允许适量的空气进入混合单元16、压缩机系统18和燃烧器系统20内以便在预定的燃烧速率下支持洁净而有效的燃烧。
燃料供应系统通常可用管道直接供应或由存储罐供应。燃气最好为天然煤气，但也可用其他合适的燃气如丙烷。燃气用管道通到调节器42的入口侧，该调节器用来控制并保证将一个没有脉动流动的燃气送到燃气计量阀44。燃气计量阀或量孔44控制送到混合单元16的燃气的流量，该混合单元支持在一定燃烧速率下的燃烧过程，而该燃烧速率是由与气体计量阀44连通的中央控制单元28确定的。燃气计量控制阀44的入口端与调节器42的出口端连通，而燃气计量控制阀44的出口端则与混合单元16的入口端连通。
燃烧空气入口量孔或计量控制阀40和燃气计量控制阀44都与中央控制单元28连通借以确保将正确的预定数量/比率的空气和燃气送到混合单元16。该单元将这两种气体混合使成为可燃的燃气预混合物，然后将它送到压缩机系统的输入侧46。压缩机系统18的抽吸和混合单元18的设计结合起来可使空气和燃气得到彻底的混合。
计量控制阀44和计量控制阀40可给燃烧器系统20提供可变的燃烧速率。当燃烧器系统20需要有一固定的燃烧速率时这两个计量控制阀44和40都可用量孔来代替。
压缩机系统18的输入侧46将燃烧预混合物引导到压缩机48，该压缩机使燃烧预混合物的压力增加以便在超大气压下将可燃气体提供给燃烧器系统20。按照本发明，压力最好在约为0.5表压到约为15PSIG(1.02表压)之间。如同本文将要谈到的，压缩机48可用多级鼓风机组件或一个压缩单元。这种压缩机48可达到所需的出口压力并具有所需的出口流量因此可支持本发明的工作条件。压缩机的尺寸和型式是本行业的行家完全熟悉的，可根据这个特别高效煤气炉10的需要和容量来确定。压缩机48的出口侧或压力侧通过一根连接管50与燃烧器系统20连通。在连接管50内有一压力传感器52与中央控制单元28和控制/安全系统32连通以便当发生压力损失或压力超过预定水平时终止燃气供应并从而终止燃烧过程。压力传感器52是在这个高效煤气炉10中几个安全器件中的一个。
空气滤清器38、燃气调节器42、燃气计量阀44、空气计量控制阀40、压缩机48和压力传感器52都是商业上有售的商品并且都是本行业所熟悉的。
超大气压的预混合物通过连接管50送到燃烧器系统20并与燃烧器组件35连通。燃烧器组件35包括一个燃烧器元件56、一个用来使燃气/空气预混合物燃烧的点燃源58和一个用来确保正常燃烧的发生和维持的安全火焰传感器60。燃烧器组件35工作时接受并点燃高速/加压的燃气预混合物使它以极小的压力损失通过燃烧器元件56。如同本文将要谈到的，燃烧器组件35可具有金属丝构成的多孔燃烧器64或喷嘴燃烧器66。但这里所设的每一种燃烧器组件都应达到要求的火焰稳定性，都应有合适的压力降，并都能在本发明的各种工作条件下工作。
从燃烧器组件35发出的高速火焰被包含在绝热的圆筒形设计的燃烧室22内使燃烧反应得以在其中完成。燃烧室22的直径最好为2″至5″(50.8.至127mm)，根据所设计的燃烧速率范围和炉子的外形而定。燃烧室22从热交换器上部98的顶板84延伸到热交换器下部82的底板68。燃烧室22有一层绝热材料，其厚度最好在1/8″至1/2″(3.18至12.7mm)之间，根据所设计的燃烧速率范围和炉子的外形而定。绝热材料74从燃烧室22的顶部开始敷设并连结在燃烧室22的内壁76上。绝热层从燃烧室22和燃烧器组件35的接头处开始并沿整个燃烧室22的长度伸展。燃烧室22从其顶部78到其底部80具有斜度。该斜度是使燃烧室22的底部直径约为燃烧室22的顶部直径的50％造成的。带有斜度的设计和燃烧室22的绝热都是必需有的，以资确保燃烧过程能以有效方式完成，同时产生极少数量的污染物，并确保生成的热能够以有效的方式用来加热所需的空间，此外还确保加压的燃烧过程是在尽可能低的噪声水平下进行的。
高速的燃烧产物从燃烧室22出来进入到热交换器24的第一部82。热交换器部82上有绝热材料连结在其底壁68上以便防止产生热点。超大气压的燃烧产物的高对流热传递速率将热能传递到与来自鼓风机组件30的强制空气流连通的顶壁88和外周壁90、92和94上。高速的燃烧产物然后行经一系列的带翅管或裸管96。为了清晰起见，翅没有在图3的透视图中画出，而是在图3A的截面图中画出。图6和图6A及图7和图7A也是这样情况。带翅管或裸管96在其入口端与热交换器部82在壁88上连通，而在其出口端与热交换器部98在壁72上连通。高对流热传递机制得热能从高速的燃烧产物传递到壁及/或传递到带翅管或裸管96的延伸表面上，再有效地将热传递到来自鼓风机组件30并行经整个热交换器系统的空气流上。高速的燃烧产物然后从热交换器部98上向下流动到第二组带翅管104内直到热交换器部102。高速的燃烧产物然后再从热交换器部102向上流动经过另一组带翅管或裸管108直到热交换器部112，最后高速的燃烧产物又从热交换器部112向下流动经过最后一组带翅管116来到热交换器部114。热交换器114与排气管26连通以便将燃烧产物排放到外界大气中。具有高速/高对流热传递率的燃烧产物从燃烧室22出来以横向交叉流动方式通过热交换器系统24时可使热交换器系统24非常紧凑而有效。热交换器部102和114都向一侧倾斜并设有排水机构120和122以便收集冷凝水并把它从单元内放掉。排水机构120和122可以采用这样型式，使液体积聚到预定数量然后放掉。另一种排水机构120和122可以是连接到排气管的直接排水管，使冷凝水通过排气管排放掉。这些液体的排放机构都是本行业所熟悉的。
热交换器部114和124连接到排气管26上。高速/超大气压的燃烧产物通过一根小直径管126排放到建筑物或住所之外。管126的一端与热交换器部114连通而另一端则与外界大气连通。在排气管内与热交换器部114连接处设有一个安全压力传感器128并与中央控制单元28和控制/安全单元32连通，以便一旦系统压力发生变动就可将燃气供应关断。高速/超大气压的低温的燃烧产物可以通过小直径的或柔性的管子来排放，这样就可大大提高安装本发明的高效煤气炉的简易性和灵活性。按照本发明，排气管或柔性管的直径可从1/4″至1″(6.35至25.4mm)并且长度可达80英尺(24.36m)。高速/超大气压的燃烧产物与独特设计的热交换系统结合起来形成一个紧凑的设计，其大小只有传统单元的1/3或更小，而其效率可超过95％。
控制/安全单元32含有那些在商品加热炉中一般可看到的控制和安全器件，包括火花点燃、燃气阀、连通并控制燃气控制阀44的火焰传感模块、一个用于预清洗和后清洗系统的延时继电器、一个用于鼓风机组件系统30使残余热能能做有用工作的延时继电器、一个用于鼓风机组件系统30的安全关断阀、以及一个可使设备开关并调节燃烧速率的恒温器温度输入控制模块。
鼓风机组件系统30具有一个马达驱动的鼓风机组件，可在130将空气从建筑物或住所抽吸到鼓风机组件30的抽吸侧并推动空气传通过一个特殊设计的入口132来到有外壳的燃烧室22和热交换器系统24内以便带走热能，然后将这个加热空气在134排出到一个管道系统(未画出)内，该系统与建筑物或住所内的各个房间通连，可使加热空气发放到需要加热的地方。这个单元还可设置在这样的地方使出口134能够将加热空气流直接引导到需要加热的地方。鼓风机组件30与控制/安全单元32连通并被它控制。
中央控制单元28是一预先定好程序的器件，该器件能评价环境条件并连通燃气计量阀44和空气计量阀40及压缩机18和鼓风机件30，为的是调节燃烧速率并有效地使加热周期优化，同时尽可能地减少加热炉必须经过的开/停周期的数目。
图4示出本发明应用的燃烧器组件35的一个实施例，并作为一个由燃气可穿透的金属丝材料64构成的燃烧器示出。合适的金属丝材料包括英国的英国原子能管理局供售的注册商标为Fercalloy的材料和比利时的N.V.Behaert公司供售的注册商标名为Behifor、Bekinox、Bekitex和Bekitherm的材料。金属丝材料64被一个连接到燃烧室22的前板144上的保持器142夹持在燃烧器组件35上。点燃器58和火焰传感器60装在燃烧室22上并位在金属丝燃烧器表面的前面以便点燃在燃烧器表面的前面的高速/超大气压的预混合物。超大气压的燃烧现象可使燃烧反应以较快的速度进行并进行得较为完全因此该过程能产生较少的不希望有的污染物如NOx。
图5为按照本发明的燃烧器组件35的另一个实施例，并作为喷嘴燃烧器66而示出。圆筒形的喷嘴燃烧器66连接到燃烧室22的前板150上。高速/超大气压的预混合物存入口152供到燃烧器66上。预先混合的燃气行经以特殊模式排列在燃烧器内的独特设计的小孔供给点燃器154以便点燃可燃烧的预混合物。喷射的火焰从燃烧器66的前孔156内发出进入到燃烧室22内。在喷嘴燃烧器前孔156的前面设有火焰传感器158和安全器件以便确保点燃的发生和稳定火焰的存在。上述两种燃烧器的设计都只产生低的压力降。
图6为按照本发明另一实施例的热交换器并用标号200指出。在这个设计中，热交换器部98和112为热交换器部204所取代。热交换器部204与热交换器部202连通，那里正是高速/超大气压的燃烧产物从燃烧室22出来后停留的地方。高速/超大气压的燃烧产物在入口206进入热交换部202并向上流动到与热交换器部202连通的热交换器部204。热交换器部202是通过一系列带翅管或裸管210把高速/大气压的燃烧产物运送出去的。高速/超大气压的燃烧产物将高对流的热传递给管210，而从鼓风机组件30来的强制流动的空气从这些管子上扫过并带走热能。热交换器部204还通过一系列带翅管或裸管212与热交换器208连通。带翅管或裸管212在其入口处与热交换器部204连通并在其出口处与热交换器部208连通，高速/超大气压的燃烧产物在入口214进入管212内并向下流动到热交换器部208，然后从排气系统26排出。高速/超大气压的燃烧产物与独特设计的热交换系统结合起来形成一个紧凑的设计，其大小只有传统单元的1/3或更小，其效率超过95％。
图7为按照本发明另一个实施例的热交换器组件并用标号300指出。在这个设计中，热交换器部302与燃烧室22连接并连接到由一系列带翅管或裸管306组成的热交换器部304上。带翅管或裸管306从热交换器部302往上走然后弯转向下成为一个可振动的模式离开热交换器部302来到热交换器部314。热交换器部304的带翅管或裸管306在其出口端与热交换器部314连接。高速/超大气压的燃烧产物在入口316流入热交换器部302并在318排出到热交换器部314内。高速/超大气压的燃烧产物的高对流的热传递将热能传递给带翅带或裸管306，而从鼓风机组件30来的强制空气流从这些管子上流过以高效的方式带走热能。高速/超大气压的燃烧产物与独特设计的热交换系统结合起来形成一个紧凑的设计，其大小只有传统单元的1/3或更小，其效率超过95％。
图8为按照本发明的另一个实施例的控制组件的示意图并用标号400笼统地指出。中央控制单元28与燃气控制阀44、空气控制阀40和鼓风机组件30连通。中央控制单元28从位在建筑物或住所内的传感器170和位在建筑物或住所之外的传感器172取得读数并根据预定程序评价这个数据以便确定合适的燃烧速率、鼓风机马达转速及加热炉要工作的周期时间使能以高效方式满足空间加热的要求同时又能使炉子的开停周期数为最少。这样就可在要加热的空间内提供一个更一致的温度和较高的舒适水平同时增长炉子的使用寿命。
图8A为与图8类似的示意图，只是所表示的是控制组件28与压缩机系统18、鼓风机组件30和控制55连通的情况。控制55为空气控制阀40和燃气控制阀44的结合，它将空气和燃气供到混合单元16上，后者再将燃气和空气的混合物供给压缩机系统18。在这个实施例中，中央控制单元28从位在住所内的传感器170和位在建筑物外的温度传感器读取温度的平均数并根据预定程序评价这个数据以便确定合适的燃烧速率，鼓风机马达转速及炉子要工作的周期时间使能以高效的方式满足空间加热的要求同时又能使炉子开停的周期数为最少。与上述图8中的控制组件类似，这个控制系统也能在要加热的空间内提供一个更为一致的温度和较高的舒适水平同时增长炉子的使用寿命。
图9所示为按照本发明另一个实施例的换热式排气系统并用标号500笼统地指出。高速/超大气压的燃烧产物通过一根小直径管502排放到建筑物或住所外。这根小直径管502位在用来从外界抽取燃烧用的空气的大直径管54之内。于是较冷的燃烧空气就被行经小直径排气管内的高速/超大气压的燃烧产物以高效的方式预热，因为高速的燃烧产物比传统的废气具有一个较高的对流热传递率。这种设计可使炉子达到超过97％的效率水平。
按照本发明构造的具有50000BTU/HR(14.654KW)额定功率的加热炉所占长方形空间仅为24″×14″×18″(610×356×457mm)。中央控制单元能够改变这个50000BTU/HR的加热炉的燃烧速率使它从30000BTU/HR变化到70000BTU/HR(8.792至20.515KW)同时使开/停周期数降为最少。
图10示出按照本发明中一个实施例的燃烧系统600。上面所说的本发明的各个实施例都包括有一般处在直立位置上的燃烧器组件35和燃烧室22。虽然燃烧器组件35和燃烧室22的这种定向曾提供良好的工作效果，但人们发现燃烧器组件35和燃烧室22的水平布置可对高效煤气炉10的工作提供更多的好处。
燃烧系统600具有燃烧器组件35、一个燃烧室22′和一个发放管602。燃烧室22′与上述实施例中的燃烧室22相似只是燃烧室22′并不具有绝热层74。在某些应用中曾经发现为了确保燃烧过程能有效地进行得完全并不需要绝热层74。燃烧室22′就可替代燃烧室用在不需绝热层的地方。与上述实施例相似，超大气压的预混合物通过连接管50供到燃烧器系统20并与燃烧器组件35连通。燃烧器组件35包括燃烧器元件56、用来燃烧燃气/空气预混合物的点燃源58及确保正常燃烧的发生和维持的安全火焰传感器。燃烧器组件35工作时接受并点燃高速/加压的燃气预混合物使它以最小的压力损失通过燃烧器元件56。燃烧器组件35具有多孔的金属丝燃烧器64或喷嘴燃烧器66。
从燃烧器组件35发出的高速的火焰将被包含在圆筒形设计的燃烧室22′内使燃烧反应得以进行得完全。燃烧室22′的直径最好为2″至5″，可根据所设计的燃烧速率的范围和加热炉的外形而定。对这个实施例，燃烧室22′被设计为水平布置在图3所示热交换器上部98和112中间的空档604内。燃烧室22′也可水平布置在图6所示热交换器部204中间的空档604内或图7所示热交换器304的带翅管或裸管306上端中间的空档604内。燃烧系统600的燃烧室22′沿水平方向从加热空气的出口处134向鼓风机组件系统30的入口处132延伸。而空气在130从建筑物或住所内被抽吸进来，通过入口132后就走向燃烧室22′中与燃烧器组件35反对的端头，在该端头上装着发放管602，如图10中箭头606所示。这样，燃烧室22′中温度最高的部分就与进入的空气流相遇。
燃烧室22′中与燃烧器组件35反对的端头接在发放管602上。发放管602为一蛇形管，它将燃烧室22′的输出端与相关热交换器的输入端连接起来。对图3和3A的热交换器而言这个输入端就是热交换器下部82。对图6和6A所示的热交换器而言这将是热交换器部204，而对图7和7A所示的热交换器而言这将是热交换器部302。发放管602当从燃烧室22′下降到相关的热交换器时它是从空档604的前面到后面环绕而下的。
燃烧系统600水平取向时由于燃烧室22′中温度最高的部分面对较冷的进入空气流，因此可以得到较好的热传递。另外，燃烧室22′的水平取向连同发放管602可以更好地利用高能炉10内的空间，限制空气在相关热交换器两个反对侧之间的流动，这样便可强制使空气流通过热交换器，并帮助使进入相关热交换器中的燃烧产物的温度降低。这种燃烧产物温度的降低使得较为传统的和价格低廉的热交换器也可使用因为燃烧产物的入口温度可显著降低。
图11和11A示出燃烧系统600与按照本发明另一实施例的热交换器610结合的情况。高速的燃烧产物从燃烧室22′出来的行经发放管602并进入到热交换器610的部612内。具有高对流热传递率的超大气压的燃烧产物将热能传递给部612的壁，该壁与来自鼓风机组件的强制空气流相遇。高速的燃烧产物然后上行通过一系列的管子614。管614在其入口端与热交换器部612连通并在其出口端与热交换器部616连通。高速的燃烧产物于是从热交换器部616向下流动到第二组管子618内来到热交换器部620。高速的燃烧产物于是从热交换器部620向上流动通过另一组管子622来到热交换器部624。高速的燃烧产物于是从热交换器部624向下流动通过另一组管子626来到热交换器部628，再从该部628向上流动通过另外还有一组管子630来到热交换器部632。最后高速的燃烧产物从热交换器部632下行通过最后一组管子634来到热交换器部636。该部636与排气管26通连以便将燃烧产物排放到外界大气中。高对流的热传递机制可从高速的燃烧产物有效地将热能传递给管614、618、622、626、630和634的壁，这些壁再将热能传递给多块连接在管614、618、622、626、630和634之间的板640的伸展的表面。热能于是有效地被传递到从鼓风机组件30发出并流经热交换器610的空气流内。
图12示出按照本发明另外一个实施例的燃烧系统700，该系统特别运用于加热速度高的加热炉。燃烧系统700具有燃烧器组件35、一个燃烧室22″及一对发放管702和704。燃烧室22″与燃烧室22′相似只是添加了多个在圆周上间隔开的在燃烧室22″的整个长度上沿径向向外伸展的翅706。这些翅可以帮助将热能从燃烧室传递到从鼓风机组件30进来的空气流内并从而降低进入相关热交换器的燃烧产物的温度。燃烧室22″可用来在某些用途上取代燃烧室22或燃烧室22′，使用后功率可增加。与上述实施例相似，超大气压的预混合物通过连接管50供到燃烧器系统20并与燃烧器组件35连通。燃烧器组件35包括燃烧器元件56、用来使燃气/空气预混合物燃烧的点燃源58及确保正常燃烧发生并维持的安全火焰传感器60。燃烧器组件35工作时接受并点燃高速/加压的燃气预混合物并以极小的压力损失使它通过燃烧器元件56。燃烧器组件35可具有多孔的金属丝型燃烧器64或喷嘴燃烧器66。
从燃烧器组件35发出的高速火焰被包含在圆筒形设计的燃烧室22″内使燃烧反应得以继续完成。燃烧室22″的直径最好为2″至5″，可根据所设计的燃烧速率范围和加热炉的外形而定。对于燃烧系统700，燃烧室22″在设计上被水平布置在空档604内类似图10所示的设计。图10所示的设计将燃烧室22′布置在热交换器上部98和112的中间。而图12所示的燃烧系统700的设计是将燃烧室22″布置在空档604内，其位置在图3和3A所示热交换器上部98和112与热交换器下部82.102和114之间大约一半距离的地方。当与图6和6A所示热交换器组件200一起使用时，燃烧系统700的燃烧室22″位在空档604内热交换器上部204与热交换器下部202之间大约一半距离的地方。当与图7和7A所示的热交换器系统300一起使用时，燃烧系统700的燃烧室22″位在空档604内管306的上端与热交换器下部302之间大约一半距离的地方。与图11和11A所示的热交换器610一起使用时，燃烧系统700的燃烧室22″位在空档604内热交换器上部616、624和632与热交换器下部612、620、628和636之间大约一半距离的地方。燃烧室22″沿水平方向从加热空气的出口处134向鼓风机组件30的入口处132延伸。而空气在130从建筑物或住所内被抽吸进来，通过入口132后就走向燃烧室22″中与燃烧器组件35反对的端头，在该端头上装有发放管702和704如图12中箭头708所示。这样，燃烧室22″中温度最高的部分就与进入的空气流相遇。
燃烧室22″中与燃烧器组件35反对的端头接在发放管702和704上。发放管702为一蛇形管，它将燃烧室22″的输出端与相关热交换器的输入端连接起来。发放管704也是一根蛇形管，它所延伸的方向与发放管702相反，它也将燃烧室22″的输出端与相关热交换器的输入端连接起来。对图3和3A所示的热交换器而言，发放管702和704的输出端是与热交换器下部82连接；对图6和6A所示的热交换器而言，发放管702和704的输出端是与热交换器部704连接；对图7和7A所示的热交换器而言，发放管702和704的输出端是与热交换器部302连接；而对于图11和11A所示的热交换器而言，发放管702和704的输出端则将与热交换器部612连接。热交换器部82、204、302、612以及在各实施例中揭露的各个其他热交换器部可用分隔板分隔为两个单独的部分，并且如果愿意的话，可使发放管702和704各分担相关热交换器的一半。这两根发放管702和704在从燃烧室22″来到相关热交换器的路途上可用不同的方向从空档604的前面绕到后面。发放管704另外还有一根直立的延伸管710以便与相关热交换器会合。
与燃烧系统600相似，燃烧系统700由于燃烧室22″中温度最高的部分面对新来的空气流，因此可以得到较好的热传递。燃烧系统700特别适用于燃烧速率较大的加热炉。采用多个翅片706和两根发放管702和704使得大量的燃烧产物及其相关的热得以转移同时仍然维持燃烧系统700设计的紧凑。另外，燃烧室22″的水平取向连同发放管702和704可以更好地利用在高能高效炉10内的空间，限制空气在相关热交换器两个反对侧之间的流动，这样便可强制使空气流通过热交换器，并帮助使进入相关热交换器中的燃烧产物的温度降低。这种燃烧产物温度的降低使得较为传统的和价格低廉的热交换器也可使用，因为燃烧产物的入口温度可显著降低。
以上虽然详细说明了本发明的较优实施例，但应该理解，在不偏离所附权利要求的范围和正确含义的条件下，本发明是很易作出修改、改变和更换的。
权利要求
1.洁净的燃烧燃气的火焰炉，该炉具有；一个限定燃烧室的壳体；设在所说壳体内用来燃烧加压的燃气和空气的预混合物以便供热的燃烧器设施，所说加压的燃气和空气的预混合物是以一个大于1PSIG(磅/英寸2)表压的规定压力供给所说燃烧器设施的；一台用来压缩燃气和空气的预混合物以便提供所说加压的燃气和空气的预混合物并将所说加压的预混合物以规定的速度送到所说燃烧器设施内的压缩机；一个有一燃烧空气入口和一燃气入口的混合单元，所说混合单元能用来制出所说燃气和空气的预混合物，所说混合单元与所说压缩机连通；用来将燃烧空气供到所说混合单元的所说空气入口的设施；用来将燃气供到所说混合单元的所说燃气入口的设施；一个通过至少一根发放管与所说燃烧室连通的热交换器，所说热交换器具有多根一般垂直于所说燃烧室的管子；强制使空气流动通过所说热交换器并环绕所说燃烧室和所说发放管的设施，使热能够传递到所说被强制的空气上；用来排放高速的燃烧产物的设施，所说排放设施与所说热交换器连接；以及用来控制燃烧速率的设施。
2.按照权利要求1的炉子，其特征为，该炉还具有用来确定炉子是否在正常燃烧借以控制炉子的安全运行的设施，所说控制所说炉子安全运行的设施与所说燃气供应设施连通以便控制对所说混合单元的燃气供应。
3.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说供应燃烧空气的设施具有一个控制阀可用来关断对所说混合单元的燃烧空气供应，所说控制阀与所说控制设施连通，并可用来改变可供所说混合单元的所说燃烧空气的流率，所说控制阀设在所说空气入口和所说混合单元之间。
4.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说供应燃气的设施具有；一个对供给所说混合单元的所说燃气的压力进行控制的调节器，所说调节器设在所说燃气入口和所说混合单元之间；一个设在所说调节器和所说混合单元之间的控制阀，所说控制阀与所说调节器、所说混合单元和所说控制设施连通，并可用来改变送往所说混合单元的所说燃气的流率。
5.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说压缩机有一吸气侧和一排气侧，所说压缩机与所说混合单元在所说吸气侧连通，并与所说燃烧器设施在所说排气侧连通以便将所说加压的预混合物提供给所说燃烧器设施。
6.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说燃烧器设施具有一个圆筒形的燃烧器，其上设有点燃所说加压的预混合物的设施，所说热交换器还具有多个部分，所说多根管子串联地把所说多个部分连接起来，所说多个部分中至少有一个部分与所说发放管连通，并且所说多个部分中还有另一个部分与所说排放设施连通。
7.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说热交换器还具有多块板把所说多根管子连接起来。
8.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说热交换器具有一个形成多个隔间的底部，所说隔间中至少有一个隔间与所说发放管连通并且所说隔间中还有另一个隔间与所说排放设施连通；一个与所说底部反对并且与所说底部连通的顶部，所说多根管子设在所说底部和顶部之间并把所说底部和所说顶部连接起来，使燃烧产物遵循一条曲折的途径从所说燃烧室流到所说排放设施。
9.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说排放设施具有一个阀和一个设在所说热交换器与一根排气管之间的压力传感器，所说排气管的直径小于1寸(25.4mm)并与外界大气连通。
10.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说燃烧空气入口连接到一根进气管上，所说进气管的直径小于 英寸并与外界大气连通。
11.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说排放设施与所说燃烧空气入口构成一体，所说排放设施位在所说燃烧空气入口之内，使所说排放设施内残余的热量能够转移到燃烧空气中，但在所说炉子内和在所说房间外，所说燃烧空气入口和所说排放设施都是分隔开的。
12.按照权利要求1的炉子，其特征为，该炉子还具有一个凝结水排放系统，该系统有一控制阀可让凝结水排放掉，所说凝结水排放系统与所说热交换器的一个底部连接，当有足够的凝结水积聚时便可启动所说控制阀，使所说控制阀开放。
13.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说燃烧器设施具有一个金属丝燃烧器，用来点燃所说燃气和空气的预混合物，和用来感知所说火焰的设施。
14.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说加压预混合物的所说规定压力是在1至15PSIG(0.068至1.02表压)之间。
15.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说用来控制燃烧速率的设施具有一个中央控制单元，和存储多种加热循环的设施，所说存储设施与所说中央控制单元连通，以致所说存储设施能够将信息提供给中央控制单元以便控制所说燃烧速率。
16.按照权利要求1的炉子，其特征为，燃烧所说加压的燃气和空气的预混合物时可使燃烧反应加速进行并得到较完全的燃烧反应因此只有极少的NOx被生产出来。
17.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说控制燃烧速率的设施具有；一个用来确定外界大气温度的第一温度传感器；一个用来确定在所说房间内的空气温度的第二温度传感器；以及一个与所说用来供应燃烧空气的设施、所说用来供应燃气的设施、所说用来强制空气流动的设施、所说排放设施、以及所说第一和第二温度传感器都连通的中央控制单元，以便做取所说燃烧器设施的燃烧速率和所说用来强制空气流动的设施的速度都能根据所说外界空气的温度和所说内部空气的温度来改变。
18.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说热交换器具有一个与所说发放管连接的燃汇流部和一个与所说排放设施连接的排放汇流部，所说多根圆筒形的管子把所说燃烧汇流部与所说排放设施连接起来。
19.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说燃烧室一般设置得与所说空气流动通过热交换器的方向平行。
20.按照权利要求1的炉子，其特征为，所说燃烧器设施具有一个喷嘴燃烧器，用来点燃所说燃气和空气的预混合物的设施和用来感知所说火焰的设施。
21.按照权利要求1的炉子，其特征为，工作压力范围约为0.5—15PSI(0.35—1.02表压)。
全文摘要
高效煤气炉采用一种独特的预先混合的设计和一个加压/高速的燃烧过程结合，燃烧过程发生在一个燃烧室内，所产生的高温高速燃烧产物遵循一条曲折的路线从燃烧室通过带翅的管道来到排气管。高温高速的燃烧产物上的热被传递到带翅的管道上。有一鼓风机组件强制空气流动，横向越过带翅管道和燃烧室，以便除去带翅管道上的热并将这个热转移到建筑物或其一个封闭部分内。
文档编号F24H8/00GK1127873SQ9511620
公开日1996年7月31日 申请日期1995年9月4日 优先权日1994年10月7日
发明者马诺奇赫·达内施瓦, 威廉姆·E·克雷默 申请人:燃烧技术公司