气体燃料、煤炭一体化炉 技术领域：本发明涉及一种既可单独烧气体燃料(液化石油气、煤气、沼气、天然气等，以下简称燃气)，又可用燃气的火焰点燃蜂窝煤或煤块、煤粒而烧煤，还可以同时烧燃气和煤，且大幅度提高热效率的炊事炉具。
技术背景：我国现有炊事炉具主要有：燃气灶、蜂窝煤炉、柴油炉。燃气灶使用方便，但燃料成本最高。蜂窝煤炉燃料成本最低，但使用不方便(点火困难，一般用木柴点火，所用时间长，且产生大量黑烟；封火麻烦，封火时产生的有害气体损害使用者健康)。柴油炉一般在餐馆使用，使用的噪声很大，炉具价格昂贵，点火时也产生大量黑烟。还有几种上点火蜂窝煤(放入改进蜂窝煤炉中燃烧)，其上部用煤、木炭、氧化剂等制成，或煤中加锯屑15％，上表面粘10mm蜡，一张纸可将煤点燃。但这种煤生产成本较高，从点火到正常燃烧需较长时间(见《能源》1981.1第41页，《能源》1981.6第37页)。以上炉灶还有一个共同的缺点，即热效率不高，燃气灶一般50％-60％，煤炉一般15％-20％(据《能源》1981.3第4页、第47页、第48页，初中《物理》第二册第40页)。燃气灶热效率不高的原因是：没有隔热装置，火焰在敞开的空间燃烧。在水平方向，火焰向四周散发热量；向上的火焰向炊具传热后，尚有很高温度的烟气流向空气中；火焰下部的烧咀经火焰烧热后也不断地向空气中散发热量。蜂窝煤炉热效率不高的原因是：封火时间长，造成热损失太大；煤炉散热和蓄热损失；下点火造成煤中可燃挥发分挥发未参与燃烧。
发明内容：本发明的任务是克服现有炉灶要么燃料费用高，要么使用不方便，且热效率普遍不高的缺点，将方便燃烧但价格较高的燃气同不方便燃烧但价格便宜的煤结合起来，充分利用炉灶的蓄热、散热和烟气余热，提供一种方便实用、节约开支、减少污染、热效率更高的炉具。本发明采用的技术方案分两部分。第一部分，单纯烧燃气。采用目前市场上通用的全预混燃气燃烧器(燃气和炉具热功率不同则设计不同)形成燃气火焰，或采用其他燃烧装置形成燃气火焰，用耐火隔热材料制成一定厚度的封闭燃烧室，使火焰在燃烧室中燃烧，避免四处散热；在燃烧室周围包上水套，让水套中的水吸收燃烧室和燃烧器散发的热量，熄火后可继续吸收炉灶积蓄地热量；设置抽气吸热水套，燃烧室中的火焰向锅、壶等炊具传热后，高温烟气从此水套中流出，让水套中的水吸收烟气余热。第二部分，既可以利用燃气的火焰点燃蜂窝煤或煤块、煤粒而烧煤，又可以不烧煤而烧燃气。利用燃气火焰点煤时，采用上点火方式。如果用下点火方式，则煤中可燃挥发分受热挥发而未参与燃烧，浪费能源，降低热效率，污染环境。第二部分有几种技术方案。第一种，采用内径和长度适当的引射管，使燃气从引射管一端射入，吸卷空气并进行混合，在引射管出口燃烧，使此火焰倾斜向下，喷在蜂窝煤或煤块、煤粒上部燃烧，即可在几分钟内将煤点燃，再关掉燃气烧煤，其燃烧室、吸热水套和抽气吸热水套与第一部分相似(但燃烧室隔热层较厚)。如果使用此部分不烧煤而烧燃气，则在放煤的地方放上保温块，让燃气火焰撞击在保温块上燃烧，火焰再向上将热量传给锅(壶)，高温烟气再流向抽气吸热水套传热后流出。第二种，采用12个(或6个、8个、10个等)燃气喷咀，自下向上朝蜂窝煤相对应的孔内喷气，靠燃气的动能吸卷空气并在煤孔内混合，然后在蜂窝煤上部孔内燃烧，将煤点燃。其燃烧室、吸热水套和抽气吸热水套与第二部分上一种结构相似。采用这种结构也可以单纯烧燃气而不烧煤，即直接利用喷咀喷出的燃气燃烧。采用这两种方式点煤的同时，可以利用该燃气火焰做炊事工作。实际上，该装置是利用燃气火焰下部的余热来点煤的，因此，该燃气火焰一举两得，也可以说点煤几乎不需成本。还可以采用其他的一些方式，如：采用下点火方式，使燃气火焰在煤的下部燃烧，将煤点燃。同时，为避免可燃挥发分受热跑掉，则在煤的上部另外喷射一小股燃气燃烧。这种结构点煤速度较快，但需增加一股燃气，且当煤的火焰未吞没整个煤块前，上部的一小股燃气不能熄灭，否则煤中可燃挥发分就跑掉，因此，此结构没有以上两种结构优越。发明的意义：本发明将便宜的煤炭和方便燃烧的燃气结合起来，使之优势互补，既可单独烧煤，又可单独烧燃气，还可以同时烧煤和燃气。本发明烧煤的优点是：1、热效率高。一顿饭点一次煤，不用封火，没有封火的能源损失，煤炭燃烧充分，并且充分利用了炉壁散热、蓄热和烟气余热，因此热效率很高，据测算可达85％以上。如果全国的家用煤炉都采用本发明，每年节约的煤炭将达数百万吨。2、燃烧成本低。煤炭比油、气价格低得多，烧煤可节约家庭开支，又缓解油、气供应紧张局面，并且点燃的同时可以利用该燃气火焰做炊事工作，因此可以说，点煤不需成本。3、使用方便。利用燃气火焰点煤速度快，一般4-5分钟，没有封火和用木材点火的麻烦。4、减少了污染。用木材点煤会产生大量黑烟，封火时又增加能源消耗，相应增加了污染。本发明烧燃气的优点是：1、热效率高。由于烟气余热能充分利用，燃烧器蓄热、散热被充分吸收，因此热效率很高，据测算可达85％以上。2、使用总成本低。购买这种炉具投资不大，由于热效率大大提高，因此所耗燃气相应减少，因而使用费用低。总之，本发明在炊事领域有应用前景，将产生良好的经济效益和社会效益。
具体实施方式：采用图1至图15所述方式实施。
图1是燃气、煤炭一体化炉基本结构示意图。
图2是燃气炉第一种结构示意图。
图3是第一种结构的开关调节火焰大小的部位结构示意图。
图4是燃气炉第二种结构示意图。
图5是燃气炉第二种结构的第二种燃烧器的结构示意图。
图6是燃气炉第二种结构的第三种燃烧器的结构示意图。
图7是左烟道及其水套结构示意图。
图8是煤炭炉第一种结构示意图。
图9是耐火保温块结构示意图。
图10是煤炭炉第二种结构示意图。
图11是煤炭炉第二种结构的燃气管和喷咀装置结构示意图。
图12是煤炭炉第二种结构设计6个喷咀的布置图。
图13是煤炭炉第二种结构设计8个喷咀的布置图。
图14是煤炭炉第二种结构设计10个喷咀的布置图
图15是抽气吸热水套结构示意图。
图1所述燃气、煤炭一体化炉的主要组成部分为：1、锅；2、火焰(由燃烧器等产生，详见图2至图6)；3、燃气炉(详见图2至图6)；4、燃气炉脚；5、左烟道及其水套(详见图7)；6、抽气吸热水套(详见图15)；7、抽气吸热水套脚；8、右烟道及其水套(详见图7)；9、煤炭炉(详见图8至图14)；10、煤炭炉脚；11、火焰(由煤炭炉产生，详见图8至图14)；12、锅(或壶)。锅(或壶)盖在燃烧室上，其结合面应密封，以免烟气从结合面流出。五只脚中有两只脚可调长短(通过螺帽)，以使五只脚底部在一个平面内。其工作原理为：燃气炉燃烧时产生的火焰向锅或壶传热后，烟气经左烟道流过，并同时向左烟道水套传热，再流入抽气吸热水套6，传热后流出。煤炭炉燃烧时产生的火焰向锅或壶传热后，烟气经右烟道流过，同时向右烟道水套传热，再流入抽气吸热水套6，传热后流出。烟气经排风扇或抽油烟机排到室外。如果抽气吸热水套的烟道出口距排风扇或抽油烟机很近，则排风扇或抽油烟机工作时有助于炉膛形成负压，使烟气顺利地流入抽气吸热水套传热并流出。如果只使用燃气炉而不使用煤炭炉，则打开左烟道的闸阀而关闭右烟道的闸阀；如果只使用煤炭炉，则打开右烟道的闸阀而关上左烟道的闸阀。如果两炉同时使用，则两闸阀同时打开。当炊事工作完毕而各水套中的水未烧开，又需要开水时，可以在放锅的地方放置底部为锅底形的密封耐火保温块(图省略)，再烧气或煤，这时，热量则绝大部分传给各水套，很快会把水烧开。
图2所述燃气炉的主要组成部分为：1、水套保温层；2、水套；3、耐火保温层(可安装可不安装，安装则提高炉膛温度，但又增加蓄热损失；不安装则无该项蓄热损失，但燃烧室水套吸热速度提高，导致炉膛温度略低，炊事速度变慢)；4、水；5、喷咀(a、b、c、d、e)；6、锅；7、烟道(与左烟道相连，通向抽气吸热水套)；8、点火孔；9、开关(带电子打火和调节火焰大小)；10、进气孔和可调炉门；11、第一根燃气管(与开关相连)；12、第二根燃气管(与开关相连)；13、第三根燃气管(与开关相连)。其工作原理为：打开开关的同时，燃气从喷咀(a、b、c、d、e)喷出(以下简称第一股)，另一股点火燃气(以下简称第二股)经点火孔进入并与第一股燃气相遇，电子打火装置将第二股燃气点燃，第二股又将第一股燃气点燃，然后第二股燃气关闭。第一股燃气撞击锅底，并充分与空气混合(撞向锅底的途中，燃气卷吸部分空气并有一部分燃气与空气混合)，边混合边燃烧，火焰向锅底传热，余热烟气经左烟道流向抽气吸热水套后流出。并一路向各水套传热。燃气炉水套则吸收耐火保温层的散热和蓄热。图中喷咀有5个，调小火焰时，扭动开关，先调小a、c喷咀(与第一根燃气管相连)上的火焰直到关闭；继续扭动开关，则b、d喷咀(与第二根燃气管相连)上的火焰由小到熄灭，只剩e喷咀(与第三根燃气管相连)喷气燃烧(图中所画管子弯曲部分表示纵横管子交叉而不相连接，并非指管子是弯曲的)。设置5个喷咀的目的是使燃气与空气充分混合，以便充分燃烧。如果只设置一个喷咀，则调小火焰时喷射速度大大降低，燃气向锅(壶)底喷射途中卷吸空气的能力和燃气对锅(壶)底的撞击力大大下降，则与空气混合不充分，燃烧则不充分。还可以设置3、7个或9个喷咀，在此不再赘述。技术要求是：锅或壶放在燃气炉的水套上应基本将炉膛上部密封，以使烟气全部流入抽气吸热水套；烟道气流截面积为25-28cm2(以热功率2000W计)，进气孔面积和点火孔面积之和应为16-20cm2，以保证燃气充分燃烧(太大则造成空气过剩)，燃气喷咀距锅底3-6cm。燃烧室内径18cm以上，以充分向锅、壶传热；燃气喷咀结构与市场上的燃气喷咀结构相同，只是喷气孔直径视燃气种类、压力和炉灶所需热功率而定。这种组织燃烧的结构的优点是装置简单，火焰紧贴着锅底，传向锅(壶)的热量较高，没有图4和图5所述结构中燃烧器的蓄热损失。
图3所述开关调节火焰大小的部位的主要组成部分为：1、外壳；2、外壳进气孔；3、转子进气槽；4、转子进气孔；5、密封套；6、转子轴；7、转子；8、点火燃气孔；9、第一股燃气孔；10、第二股燃气孔；11、第三股燃气孔；12、导向针；13、定位针a；14、点火燃气关闭刻度；15、第一股燃气关闭刻度；16、定位针b；17、紧固螺钉；18、密封垫；19、盖子。图中A-A剖只剖外壳、盖子、密封套和密封垫。其工作原理为：导向针处于紧靠着定位针a的位置时，进气孔和出气孔皆关闭。转动转子轴，当转子处于图中位置时，进气孔和出气孔皆导通，这时电子打火装置打火，点燃点火燃气，从而将第1至第3股燃气点燃。再转动开关，使导向针对准点火燃气关闭刻度时，点火燃气关闭，其他三股燃气燃烧。当转到导向针对准第一股燃气关闭刻度时，第一股燃气关闭。当转到紧靠定位针b时，第二股燃气关闭，只剩第三股燃气燃烧。熄火时，顺时针扭动转子轴，使导向针靠着定位针a即可。技术要求是：转子与外壳在径向上的间隙应小于0.01mm，装配时应加润滑油，利于转动和密封。
图4所述的燃气炉的主要组成部分为：1、水套保温层；2、水套；3、耐火保温层；4、水；5、燃烧器；6、锅；7、烟道；8、点火孔；9、开关(带电子打火和调节火焰大小，燃气喷咀装在开关上，图中未画出，开关与炉子的连接部件未画出)；10、第一圈火焰位置及燃烧器外圈；11、第二圈火焰位置；12、第三圈火焰位置及燃烧器内圈。燃烧器及开关与市场上通用的燃气灶的预混燃烧器(有双喷咀和单喷咀之分，图中为单喷咀)和开关相同。其工作原理为：燃气从喷咀喷出，靠其动能卷吸空气，在管道内混合后从出气孔(火孔)喷出，与二次空气边混合边燃烧(点火孔为二次空气孔)。火焰一般分为三圈，火孔(出气孔)直径、深度和孔间距视燃气种类、压力和炉灶热功率而定，该炉燃烧时会将燃烧器烧热，但因其引射管套在水套内，故其散热可被水套吸收，其蓄热也可吸收一部分。通过开关调节燃气喷出量来调节火焰大小。技术要求：引射管内壁应光滑。市场上燃烧器的引射管内壁一般很粗糙，影响空气流动，不利于燃气燃烧。
图5所述燃气炉燃烧器的主要组成部分为：1、火孔板；2、混合气室外壳；3、混合气室外室；4、内外室分隔圈；5、混合气内室；6、第一圈火孔位置；7、第二圈火孔位置；8、第三圈火孔位置；9、第四圈火孔位置；10、第一根混合气进气管(与混合气内室相连)；11、第二根混合气进气管(与混合气外室相连)。该燃烧器与图4中的燃烧器差不多，不同的是在8-10mm厚的耐火隔热板(简称火孔板)上钻成火孔，孔径为2mm左右(火孔板厚度、孔径和孔间距根据燃气种类、压力和炉具所需热功率确定)，火焰圈数为4圈。火孔板钳在混合气室上部，火孔板与混合气室(内室和外室，特别是外室)结合处的间隙用牙膏填充密封，以免燃气跑掉。该燃烧器也可分为双喷咀与单喷咀(图中为双喷咀)。其最外两层火焰由第一个喷咀控制。另外两层火焰由第二个喷咀控制，将火焰调小时，扭动开关，先将最外两层火焰调小直至熄灭；继续扭动开关，再将另外两层火焰调小。其开关与图3相似。最外两层火孔面积之和与最内两层火孔面积之和可以按3：2的比例或其他比例设计；相应地两燃气喷咀的喷气量也应与之相匹配。将此燃烧器安装在图4燃气炉中燃烧器5的位置即可工作。其工作原理与图4相同。其特点为：火焰在火孔板上燃烧，传向燃烧器其他部分的热量很少，故热量损失少。
图6所述燃气炉燃烧器的组成部分为：1、喇叭管；2、弯管(引射管)；3、定位板(两板间的圆孔为燃气喷咀的位置)。弯管内壁应光滑，内径18mm-20mm左右，喷气处为喇叭形，最大处内径为45mm左右(各尺寸视燃气种类、压力和所需热功率而定)。将此燃烧器安装在图4燃气炉中燃烧器5的位置即可工作。其工作原理为：燃气从喷咀喷出，从燃烧器进口(喇叭口)喷入，靠燃气动能卷吸空气并在管内混合，从出口喷出时继续卷吸二次空气，撞击锅底后与二次空气进一步混合并燃烧(点火孔为二次空气孔)。由于撞击锅底后火焰层较薄，所以燃气可以更好地与二次空气混合，保证燃烧充分。这种燃烧器加工简单，散热和蓄热少。在燃气炉中，可安装一根或几根，但安装几根时管子直径会变小(同等热功率情况下)。
图7所述烟道及其水套的主要组成部分为：1、保温层；2、水套外壳；3、烟道壁；4、闸阀；5、定位板；6、插销；7、闸阀定位孔。其工作原理为：如果燃气炉或煤炭炉工作，则打开闸阀，将插销插入闸阀和定位板的定位孔中，这时烟气从烟道中流过，向水套中的水传递热量，然后流入抽气吸热水套。如果燃气炉或煤炭炉不工作(只有一边工作时)，则关上相对应的闸阀，这时闸阀处于图中位置，以免另一边炉子产生的烟气流入此烟道。烟道水套、保温层与炉子水套、保温层和抽气吸热水套保温层接触面应自然、严密。为绘图方便，图中烟道壁的厚度未按比例绘制，水套壳由于是用实线表示其厚度，故未画出其剖面线。右烟道及其水套结构和此相同，在此不再赘述。
图8所述煤炭炉的主要组成部分为：1、烟道；2、水套保温层；3、水套；4、耐火保温层；5、进气孔和可调炉门；6、炉栅；7、蜂窝煤；8、锅；9、点火孔；10、引射管；11、开关(带电子打火)。其工作原理为：燃气从引射管进口喷入，卷吸空气并在管内混合，从出口喷出，喷在煤的上表面燃烧(燃气与煤撞击时，进一步与二次空气混合，二次空气从点火孔和进气孔进入)。该火焰一边将下面的煤加热并逐步使煤燃烧，一边将热量传给上面的锅(壶)，余热烟气经右烟道流向抽气吸热水套，并向水套传热，然后流出。5分钟左右，煤就被点燃。这时关掉燃气便可烧煤。一个煤质好的蜂窝煤(规格为：高84mm，直径97mm，12孔。另有高84mm，直径117mm，12孔的蜂窝煤)，可以烧120分钟。如果做炊事工作的时间不长，也可以用此炉直接烧燃气。这时则在放蜂窝煤的位置上放耐火保温块，燃气从引射管出口喷到耐火保温块上，经撞击后进一步与二次空气混合并向上窜，同时燃烧，向锅(壶)传热。技术要求：引射管横截面积为250mm2左右，管长为130mm左右，出口为扁形(便于扩大火焰与煤的接触面)，进口为喇叭形，中部由圆形过渡到扁形，呈流线型，管内应光滑，管轴线与水平面呈15°角。引射管尺寸和燃气喷孔直径视燃气种类、压力和所需热功率而定。如果烧粒状煤和块状煤，则在炉栅上放置一篦子板。图8是烧一个煤的炉子，可以增加炉子高度，放两层蜂窝煤，当一个煤快烧完时，将此煤取出，在下部放未烧的煤，再将取出的煤放进去，让火旺的下端仍朝下，靠上面这块煤的火焰将下面的煤点燃(仍采用上点火方式)。还可以设计大炉子，水平方向可以放置三个或更多的蜂窝煤，坚直方向可以放置三层煤，这时可增加引射管的根数，便于迅速将煤点燃，满足餐馆需要。
图9所述耐火保温块，用耐火保温材料制成，其结构与蜂窝煤差不多，也有12个孔作为二次空气孔(单纯烧燃气时煤炭炉进气孔可调小，因为燃气已引射大部分空气进燃烧室)，但其上部是斜面，与水平方向呈15°角。其工作原理为；燃气与空气的混合气以与水平面呈15°角的方向撞击在耐火保温块斜面上，然后反弹上窜，同时燃烧，将热量传给锅(壶)。也可以用与煤的形状完全相同的耐火保温块。
图10所述煤炭炉的主要组成部分为：1、锅；2、烟道；3、水套保温层；4、水套；5、点火孔；6、开关(带电子打火)；7、耐火保温层；8、进气孔(带可调炉门)；9、炉栅；10、蜂窝煤；11、煤孔(12个)；12、喷咀(共12个，对应12个煤孔，也可以只设计6个、8个或10个等)。其工作原理为：燃气从喷咀喷出，从各煤孔底部进入煤孔，靠其动能卷吸空气并在煤孔内与空气混合，当到达煤孔上部(孔内)时，其气速与燃烧速度一致，则点火燃气将各孔燃气点燃后，火焰在各孔上部(孔内)稳定燃烧，且火焰有一定的高度，超出煤上表面。该火焰一方面将煤烧热并逐步将其点燃，另一方面向锅(壶)传热，因此点煤的同时可以做炊事工作。这些喷咀喷出的气量相当于图8中一个喷咀喷出的气量。根据燃气种类、压力和炉子热功率确定各喷咀的直径，并且可以通过开关调节各喷咀的喷气量，用来调节火焰大小和火焰稳定燃烧的位置，可以保证燃气点燃后火焰在煤孔上部(孔内)燃烧。当然火焰会一直烧到煤顶部以上甚至锅底。把煤点燃后，关掉燃气便可烧煤。采用此装置也可直接烧燃气，即把烧过的煤灰不取出来，打开燃气点燃即可。也可以取出煤灰，让火焰悬浮燃烧。
图11所述燃气管和喷咀装置的主要组成部分为：1、进气管；2、主气管；3、主气管螺母(4个)；4、支气管(4根)；5、连接架1(2根)；6、连接架2；7、喷咀(12个)；8、传动齿轮(4个)；9、蜂窝煤位置；10、转动手柄；11、装置脚(4个)。其工作原理为：当把蜂窝煤放在图中位置时，转动手柄，则与手柄相连的支气管转动，且通过齿轮，带动其他三根支气管转动，使各喷咀垂直朝上，即处于图中位置。这时可以打开开关，用燃气点煤。煤点燃后，为防止灰尘落入喷咀，则再转动手柄，使喷咀朝水平方向。支气管与主气管通过螺纹连接。由于气压不高，而螺纹较长，因此不会漏气。
图12所述布置图的各组成部分为：1、蜂窜煤；2、煤孔(12个)；3、喷咀(6个)。其工作原理为：燃气从6个喷咀中喷出，射入对应的6个煤孔，靠其动能卷吸空气并在孔内混合，然后在煤孔上部(孔内)燃烧(点火燃气将其点燃)，先将6个煤孔点燃，然后靠煤和燃气燃烧产生的热量逐步扩大煤炭燃烧范围，直至全部将煤点燃。点煤的同时可利用该燃气火焰作炊事工作。
图13所述布置图的各组成部分为：1、蜂窜煤；2、煤孔(12个)；3、喷咀(8个)。基工作原理与图12相同。
图14所述布置图的各组成部分为：1、蜂窜煤；2、煤孔(12个)；3、喷咀(10个)。基工作原理与图12相同。
图15所述抽气吸热水套的主要组成部分为：1、进水口的盖子；2、保温层；3、水套壳；4、出气管；5、分气室左进气口；6、分气室；7、分气室右进气口。图中放水咀和水未画出。其工作原理为：高温烟气经左进气口5和右进气口7进入分气室6，再从各出气管流出，同时向水套中的水传递热量。分气室左右进气口分别与一体化炉左右烟道相通。出气管可以是圆形、矩形、椭圆形等形状，可以将管子绕成螺旋状，还可以增减管子根数，可根据实际需要确定管子的内径(或边长)。各出气管横截面积之和应大于左右两烟道通气横截面积之和，但出气管传热面积之和大大高于两烟道传热面积之和。管子传热面积越大，则传热效果越好。