用于稳定向表面燃烧型圆柱形燃烧炉供应的气体混合物的压力和流速的装置和方法
技术领域
本发明涉及向表面燃烧型圆柱形燃烧炉供应可燃气体混合物，所述气体混合物例如空气/天然气、空气/丙烷、空气/丁烷、空气/沼气或空气/蒸发混合燃料。
更特别地，其目的是提供一种用于稳定这种气体燃烧炉的压力和流速的装置、一种装配了这种稳定装置的气体燃烧炉以及一种用于稳定向所述燃烧炉供应的气体混合物的压力和流速的方法。
背景技术
具有表面燃烧的圆柱形气体燃烧炉包括穿有多个小孔的圆柱形穿孔壁、圆盘形底部壁和入口开口，预先形成(预先混合)的可燃气体混合物通过所述入口开口被引入到所述燃烧炉的内部，该引入是通过例如风扇或涡轮机实现的。
通常，圆柱形壁是穿孔的不锈钢金属板，所述的孔是具有非常小的截面的圆形的孔和/或狭缝。
然而，所述发明也应用于抗高温的隔栅形或多孔形材料层(例如难熔材料中的编织纤维)。
可燃气体分布在燃烧炉的内部并且快速地通过圆柱形壁的孔离开，燃烧炉已经被点燃，所述壁的外表面作为燃烧表面，每个孔根据其截面面积以及气体的流速而产生基本上较大高度的径向火焰。
这种燃烧炉主要适用于装配民用或工业用的锅炉，其具有一条或多条围绕燃烧表面的(圆形截面或其它截面的)管道。
一种或多种待加热的流体在所述管道中流动，所述管道被来自燃烧表面的燃烧气体所卷烧。
特别地包括一层平行于燃烧炉的母线的直形管道(例如参见文件FR-A-2 476 808)，或者包括一束或多束螺旋缠绕管道(例如参见文件WO 94/16272、图18或EO-A-1 813 882)的不同的结构也是可能的。
更特别地，该发明涉及所述燃烧炉内部的气体混合物的压力和流速的稳定化，从而获得在所述燃烧炉的整个圆柱形燃烧表面上的完全地且均匀地分布的具有均匀火焰高度的燃烧，通过所述的稳定化能够在减少一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)的排放的同时获得最佳的产量。
通过这种燃烧炉获得的表面燃烧的质量和卫生取决于多个参数，特别地取决于在圆柱形壁中形成的所述孔的尺寸(通道的截面)，并且取决于它们彼此的间隔(穿孔壁的穿孔率)。
根据圆柱形元件的长度和直径，难以在所述燃烧炉的整个长度上确保规则的气体流速。
现在，在整个所述燃烧表面上的气体流速的均匀性决定了燃烧高度以及其在整个燃烧表面上的规则性，这决定了CO和CO2的排放。
为了改进这种均匀性，已经提出了通过在内部向所述燃烧炉提供另外的圆柱形壳体(第二壁)而向圆柱形壁设置里层，所述圆柱形壳体也穿有孔，其直径略小于作为燃烧表面的壁上的孔的直径，这两个壁共轴设置。这种设置的效果在于，提高了气体混合物离开所需的压力水平，气体混合物应当在第一阶段穿过内侧壳体的孔，从而占据两个壁之间的环形空间，然后穿过作为燃烧表面的外侧壁的孔。因此，所述燃烧孔在外侧壁的整个表面上具有了相对规则的压力。
这个方案并不完全令人满意，因为所获得的均匀性并不完美，并且因为所述内侧壳体的连接部分总体上提高了燃烧炉的重量和成本价格。此外，内侧壳体的存在引起了在燃烧炉中循环的气流的较大的压力损失。
预先混合的气体在燃烧炉中的适当的分布与气流在刚要进入燃烧炉之前的流动有很大的关系，因此我们现在将通过参考图1至3对其进行解释。
在这些附图中示出了传统类型的表面燃烧气体燃烧炉1，其包括：具有轴线X-X′(例如为水平的)且穿有多个小孔20的圆柱形穿孔壁2、密封的圆盘形底部3以及圆形入口开口10，可燃气体混合物通过该圆形入口开口10而引入到燃烧炉1的内部。
这是一种预先由具有氧化剂的燃料制造的混合物，所述燃料主要是液化石油气、天然气、沼气(发酵形成)或甚至是蒸发燃油，其与空气或氧气按照适当的比例混合，从而保证适当以及完全的燃烧。
按照已知的方式，这种可燃预先混合物表示为G，其通过风扇V向所述燃烧炉供应。
燃烧表面由壁2的外表面形成，火焰在所述外表面上形成，火焰表示为F。
燃烧基本上由处于接近所述表面的位置的燃烧炉(未示出)引起。
为了改进燃烧炉1内部的压力的分布，并且相关地改进燃烧的质量，已知在风扇V的出口和燃烧炉的入口10之间插入套筒。
在图1所示的结构中，风扇的出口为圆形并且具有与燃烧炉的入口10相同的直径。所使用的套筒M也是具有该直径的圆柱形，并且整体沿着X-X′共轴安装。
因此，由箭头f标示的气流是规则的，并且燃烧炉1被均匀地供应，由此能够获得在燃烧炉中的压力和流速的良好的分布，这通过在整个燃烧表面上的相对恒定的火焰高度h所表示。
对于多种型号的锅炉来说，主要由于笨重的原因而不能将风扇设置在燃烧炉的轴线上。
这是图2中所示的结构的情况，其中风扇的轴线相对于燃烧炉的轴线发生了移动。连接套筒M′在此具有弯曲成直角的端部部分，从而穿透到燃烧炉中的气流G具有转向且紊乱的轨迹，这产生了不规则的火焰高度F′。
在图3中所示的结构中，连接套筒M″具有安全阀，该安全阀包括结合在上部中的活板A，该活板A的功能是当风扇停止时防止燃烧的气体从燃烧炉向风扇回流。这在多个装置都与同一个烟囱连接时特别地有用。
当所述活板在其自身的重量的作用下关闭时，所述阀处于竖直的位置A0处，该位置A0在图中以虚线表示。
其打开的角度自动地成为运行状态、风扇提供的克服所述活板A重量的气流的函数，所述气流以基本上明显的方式取决于流速。
在所述活板下通过从而接着进入所述燃烧炉的气流f″在此也发生转向(以一定的角度)及紊乱，从而产生了不规则的火焰高度F″。
在许多锅炉的结构和运行模式中，主要通过允许动力调节的可变流速的运行状态，精细地获得在燃烧表面上的火焰高度的均匀分布。
在风扇相对于燃烧炉偏置定位的情况下(图2)或者在燃烧炉的入口处存在活板的情况下(图3)，难度进一步增大。
发明内容
本发明的目的是解决这些问题，提出一种压力和流速稳定装置，该装置设计简单、不移动任何部件、重量轻且成本不高、在实践中不会引起压力损失，适于设置在所述燃烧炉的入口处从而主要改进了燃烧炉的内部的气体混合物的分布，并因此确保了燃烧表面的全部孔的均匀供应，从而在整个所述表面上产生恒定的火焰高度。
如上文所述，这种压力和流速稳定装置将用于装备气体燃烧炉，该气体燃烧炉包括用作燃烧表面的穿孔圆柱形壁、底部壁和入口开口，可燃气体混合物通过所述入口开口被引入到燃烧炉的内部。
根据本发明，所述装置由适于设置在所述入口开口内侧的隔栅构成，并且包括中心环，该中心环被一系列转向叶片包围，因此该隔栅被限定为允许通过中心环穿透到燃烧炉中的气体混合物气流的中心部分自由通过，同时所述转向叶片产生从所述中心环的外侧穿透到燃烧炉中的该气流的外围部分的涡流运动。
因此，所述燃烧炉同时供应有不同结构的两股气流，即外部气旋涡流和未紊乱或者轻微紊乱的中心气流，所述外部气旋涡流沿着朝向燃烧炉的底部壁的基本为螺旋形的路径运动，所述中心气流在所述气旋内侧扩张的同时也朝向燃烧炉的底部运动。
相当令人惊讶的是，这种布置在燃烧炉的整个表面上确保了规则的压力，即，既沿着其圆周又沿着其长度均确保了规则的压力。
专利文件EP-1 538 395的对象是一种圆柱形气体燃烧炉，其在内部具有用于减少共鸣现象以及相应地减小该燃烧炉的噪音的装置。
这种装置包括平行的或者“交叉形”的隔离物，这些隔离物防止向燃烧炉供应的气体混合物产生任何涡流运动，这不利于该混合物的均匀化和适当的分布，从而有悖于所追求的目标。
对于德国实用新型DE 9013114 U，其描述了一种用于装备燃油或燃气的燃烧炉的盘。这种盘具有被可燃材料(燃料)和空气的第一部分(氧化剂)穿过的中心开口，还具有被燃烧所需的空气的其它部分穿过的一系列的径向狭缝。该文件并没有具体指出这种盘所配合的燃烧炉具有何种外形，更没有提及所述的盘是否位于所述燃烧炉的入口开口的内侧。
其功能并不是要改进已经形成的气体预混合物在燃烧炉内部的分布，而是要加强具有不同性质的两股气流的该预混合，所述的两股气流即由燃料和空气形成的中心气流和只是由空气形成的外围气流。
并不排除所述混合物通过双重弯曲的套筒向燃烧炉供应，这种套筒例如图2中由M′所表示的构件，也并不排除通过具有安全阀的套筒向燃烧炉供应，这种套筒例如本专利申请的图3中由M″所表示的构件，它们具有如上文所讨论的缺点。
根据本发明的其它可能的有利的但非限定性的特征：
-所述中心环是圆形的，并且与所述穿孔的圆柱形壁共轴(当所述装置安装在所述燃烧炉上时)；
-所述叶片以规则的角度分布相对于所述穿孔的圆柱形壁的轴线径向延伸(当所述装置安装在所述燃烧炉上时)；
-所述叶片的数量包括在6到30之间，并且有利地在11到25之间；
-所述叶片全部是具有恒定宽度的相同的平的薄板，这些薄板在纵向方向上倾斜，它们的平面相对于所述穿孔的圆柱形壁的轴线形成锐角；
-所述角度的值包括在15到45°之间，优选地为30°左右；
-所述叶片与所述中心环相结合；
-所述隔栅包括外围圆形环，所述隔栅的叶片与外围圆形环相结合，所述外围圆形环能够安装且固定在燃烧炉的入口开口中；
-所述中心环是套筒，该套筒的长度基本上等于所述叶片的轴向尺寸(适合用于具有小或中等长度的燃烧炉的方案)；
-所述中心环是套筒，该套筒的长度大于所述叶片的轴向尺寸(适合用于具有较大长度的燃烧炉的方案)。
本发明的目的还在于提供一种配备有如上文所述的压力稳定装置的表面燃烧的圆柱形燃烧炉。
最后，本发明的目的还在于提供一种用于稳定向气体燃烧炉供应的可燃气体混合物的压力和流速的方法，所述气体燃烧炉包括入口开口、用作燃烧表面的穿孔的圆柱形壁以及底部壁，所述方法在于：穿透到所述燃烧炉中的所述气体混合物被分成两股不同的气流，即中心气流和涡流气流，所述中心气流具有非紊乱或者不是非常紊乱的基本上为分层的气流，并且所述中心气流在逐渐展开的同时能够到达所述底部壁，所述涡流气流具有基本上围绕所述中心气流的螺旋轨迹。
附图说明
在阅读了下文中对本发明的优选实施方案的说明后，本发明的其它特征和优点将变得明确。
所述说明是参考附图做出的，在附图中：
-图4是本发明的稳定装置的第一可能实施方案的立体图；
-图5是图4的装置在放大比例下的主视图；
-图6是图5中的相同装置的侧向剖视图，剖面参照图5中的线VI-VI；
-图7和图8示出了本发明的稳定装置的第二可能实施方案，这些视图分别与第一实施方案的图4和图6相似；
-图9示出了本发明的稳定装置的第三可能实施方案，该视图与第一实施方案的图4相似；
-图10是具有根据第一实施方案的稳定装置的燃烧炉的轴向剖视图；
-图11是与图10类似的视图，其意欲通过示出所述气流的分布在燃烧炉的内部如何完成而表示所述装置的运行；
-图12是与图11类似的立体图和剖视图；
-图13是与图11类似的视图，但是显示了具有更大长度的燃烧炉，该燃烧炉具有根据第二实施方案的稳定装置。
具体实施方式
图4至6中所表示的装置在于一种隔栅，例如厚度小的不锈钢金属板。
所述隔栅4a包括：一对共轴环，其中一个为中心环5a，另一个为外围环7，它们的形式为长度较短的圆柱形套筒，它们具有共同的轴线X-X′；和一系列叶片6。
所述叶片6以规则的角度分布相对于轴线X-X′径向延伸。
在所示的实例中，所述隔栅包括12个叶片，围绕中心环彼此成30°角分布。
它们在其端部例如通过焊接与所述的两个套筒5a和7的每一者连接。
正如可在图6中观察到的，套筒和所述叶片均具有较小的厚度，并且他们的轴向尺寸e相同。
环7的外径选择为与将要装配的燃烧炉的圆柱形壁的内径相对应，从而所述隔栅可以无任何游隙(间隙)地被插入并保持在与其共轴的燃烧炉的入口开口中。
这些相同的叶片6都是具有恒定宽度的平的薄板。
它们沿着纵向方向倾斜，从而相对于轴线X-X′形成锐角，该锐角在图6中用α表示。作为示意，该角α的值为30°左右。
中心环5a限定了具有轴线X-X′的圆柱形通道8，该通道8允许所述气体自由通过。
叶片6之间的空间限定了所述气体的环形的外围通过路径9。
图7和8示出了作为第二实施方案的对象的装置，其在于一种隔栅4b，该隔栅4b与已经描述的隔栅4a不同，其区别仅在于隔栅4b的标记为5b的中心套筒的长度i明显大于叶片6和外围环7的轴向尺寸e。如将在后文中参考图13可以看到的，从隔栅的整体平面伸出的该套筒5b的部分将插入到燃烧炉的内部。
图9示出了作为第三实施方案的对象的装置，其在于一种隔栅4c，该隔栅4c与隔栅4a不同，其区别在于隔栅4c不包括任何外围环。
叶片6将被定位并且直接面向燃烧炉的入口开口的圆柱形内表面而应用。因此这些叶片的长度使得它们的外边缘内接在圆柱形(假想的)壳体中，其直径与所述内表面的直径相对应。
此外，应注意的是，叶片6的数量是前文所述装置的叶片数量的两倍，因为其具有24个叶片，所以以15°的角度间隔分布。
图10中所示的燃烧炉1a与之前参考图1至3所描述的燃烧炉具有相同的类型。
根据上文描述的第一实施方案的稳定装置4b轴向地安装到燃烧炉的入口开口10中并且在其中得以保持，该保持是例如在由于所述环7的外表面与所述圆柱形壁2的开口处的内表面之间的特定张紧而产生简单摩擦的作用下实现的。
有利地，所述环10具有形成止挡座的凸缘70，所述止挡座防止环10沉入到燃烧炉体的内部。
图11和12示出了所述装置的作用模式。
被风扇所驱使并且到达燃烧炉1a的入口处的气流G必须穿过稳定装置4a的隔栅。
然后其被再分成两个不同的气流部分，即中心部分和外围部分，所述中心部分穿过由中心环5a所限定的通道8，所述外围部分穿过在叶片6之间的位置上所形成的空间9。
在图11中，虚线表示假定的将所述的两个部分分开的包层Ea。
由箭头X所标示的中心气流是规则的或者均匀的层流气流，其具有朝向底部3并且沿着X-X′全局地平移的轨迹。然而，将要燃烧的气体团为如包层Ea的轮廓所示的圆锥形，然后成为“喇叭形”。
由箭头Y所标示的外围气流在所述中心气流的周围以高速形成螺旋涡流轨迹，该轨迹包括轴向平移运动和通过转向叶片6的倾斜而产生的旋转(螺旋)运动。
所述外围气流在其几乎整个长度上(上游侧)包围所述中心气流。
相对令人惊讶的是，这两部分气流的结合保证了在该燃烧炉的内部的气体的流速和压力在所述燃烧炉的整个长度上和整个圆周上(超过360°)的规则分布。
在实践中存在的情况是，燃烧炉的上游部分的燃烧孔20(在入口开口10的那一侧)基本上供应有由所述的外围涡流气流所提供的气体，相反地，燃烧炉的下游端部的燃烧孔(接近底部3)基本上供应有由非紊乱中心气流所提供的气体。
随着气流从上游逐渐移动到下游，来自外围气流的气体总量减少，同时来自中心气流的气体总量增加，两部分气流的气体总量之和基本上保持恒定。燃烧炉内部的气旋运动进一步促进了流速和压力的良好分布，从而最终获得在整个燃烧表面上具有恒定高度的火焰高度F。
这种显著的结果即使在到达燃烧炉的气流发生偏移和/或倾斜的时候也能够获得，所述的偏移和/或倾斜主要是因为上游存在来自图2中所示的那种弯曲套筒、图3中所示的那种阀或者设置在燃烧炉中用于调整流速的阀的气流。
由于在燃烧炉的入口处存在所述装置而造成的压力损失可以忽略不计。
所述稳定装置的尺寸自然应当与燃烧炉的结构和尺寸相适应。
作为示意，已经描述过的燃烧炉1a具有不锈钢金属板的穿孔壁2，其厚度为0.3mm。
所述壁的穿孔率(穿孔的面积和穿孔壁的总面积的比率)为30％左右。
其长度和其内径在图10中分别标示为La和Da，它们分别为160mm和70mm。
所述稳定装置4a也可以由薄的不锈钢金属板制成。
所述外围环7具有70mm的直径，其所具有的功能性公差使得其能够不需要任何间隙或者甚至在具有一定张紧作用的情况下被安装在燃烧炉的入口开口中。
中心环5a具有24mm的直径。
所述装置的轴向尺寸e为10mm。
图13中所示的燃烧炉1b与燃烧炉1a类似，只不过燃烧炉1b的长度Lb更长。
作为示意，Lb＝240mm。
其长度Db＝70mm。
如已经陈述的，对于稳定装置4b，除了形成中心环5b的套筒之外，其与装置4a相同，中心环5b的长度i基本上大于e。
作为示意，i＝25mm(当e＝10mm时)。
如图13中所示，该套筒5b具有引导所述中心气流的作用，从而其比第一实施方案的中心气流的偏移速度要慢，从而其可能会到达底部壁3，进一步远离前述的开口。
将所述中心气流与所述外围气旋气流分开的燃烧炉1b内部的包层Eb比燃烧炉1a内部的包层Ea更加靠近下游而逐渐展开。
然而两种稳定装置的运行模式是相似的，并且由于规则的火焰高度和适当的燃烧卫生而产生了气体流速和压力的均匀分布。
在上述实施方案中，所述燃烧炉的入口开口10是圆形的并且其直径与所述的圆柱形穿孔壁相同。
这些特征并不是强制性的。
此外，所述的稳定装置可以限定为(从外侧)盖到燃烧炉的入口上，而不是从内部安装在其中。