ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЬ С ВЕРХНИМ ОБОГРЕВОМ
AIR HEATER WITH UPPER HEATING

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к воздухонагревателю с верхним обогревом, имеющему отличительную горелочную систему.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Регенеративные воздухонагреватели, которые генерируют горячее дутье путем циркуляции воздуха в насадочную камеру, имеющую запасенное в ней тепло, и подают данное горячее дутье в печь с дутьем, включают в себя воздухонагреватель внутреннего сгорания, имеющий камеру сгорания и насадочную камеру, обеспеченные внутри одной цилиндрической оболочки, и воздухонагреватель внешнего сгорания, имеющий камеру сгорания и насадочную камеру, обеспеченные в отдельных цилиндрических оболочках, так что обе камеры сообщаются друг с другом у одного конца обеих оболочек. В качестве регенеративного воздухонагревателя, который может быть сделан с меньшими затратами на оборудование, чем воздухонагреватель внешнего сгорания, сохраняя производительность, сравнимую с воздухонагревателем внешнего сгорания, в патентном документе 1 раскрывается воздухонагреватель с верхним обогревом, имеющий камеру сгорания, которая соединяется с горелкой, обеспеченную выше насадочной камеры.
Теперь, со ссылкой на схематическое изображение на фиг. 7, будет обрисована структура обычного воздухонагревателя с верхним обогревом. Как показано на чертеже, обычный воздухонагреватель с верхним обогревом F имеет камеру сгорания N, расположенную выше насадочной камеры Т. В так называемой операции сгорания смешанный газ, включающий в себя топливный газ и воздух для сгорания, подаваемый из горелки В в камеру сгорания N (направление Х1), воспламеняется и сгорает в процессе прохода сквозь канал BD горелки и течет в камеру сгорания N в виде высокотемпературного газа сгорания. Как показано на фиг. 8, которая представляет собой вид в разрезе, сделанном по линии со стрелкой VIII-VIII на фиг. 7, множество каналов DB горелки (четыре на фиг. 8) обеспечивается для камеры сгорания N в двумерном виде. Высокотемпературный газ сгорания течет вниз, закручиваясь внутри камеры сгорания с большим радиусом вращения (направление Х4). Когда газ сгорания течет вниз в насадочной камере Т (направление Х2), тепло данного газа сохраняется в насадочной камере Т, и газ сгорания, который прошел сквозь насадочную камеру Т, выпускается через газовый канал Е. Заметим, что в данном описании горелка В и канал BD горелки вместе называются горелочной системой.
Конкретная конфигурация установки каналов BD горелок на камере сгорания N такая, как показано на фиг. 8. То есть, например, четыре канала BD горелок устанавливают на камере сгорания N в состоянии, разнесенном на 90 градусов, если смотреть в двумерном виде, и каждый из каналов BD горелок присоединен к камере сгорания N в эксцентрическом положении, так что направление притока газа сгорания в камеру сгорания N не проходит через центр О камеры сгорания N, которая имеет круглую форму, если смотреть в двумерном виде. В результате, газ сгорания, который протекает в камеру сгорания N из каждого из каналов BD горелки, сталкивается с газом сгорания, который течет в камеру сгорания N из соседнего канала BD горелки. Таким образом, направление течения каждого газа сгорания изменяется так, чтобы сформировать большой вихревой поток (направление течения Х4) газа сгорания в камере сгорания N.
Как показано на фиг. 8, путем формирования большого вихревого потока газа сгорания в камере сгорания N высокотемпературный газ сгорания подается во всю насадочную камеру Т. Это позволяет обеспечить воздухонагреватель, который использует всю насадочную камеру Т, чтобы иметь высокую способность генерации горячего дутья.
В так называемой операции воздушного дутья для подачи горячего дутья в непоказанную печь с дутьем запорный клапан V внутри канала BD горелки устанавливают закрытым, чтобы остановить подачу топливного газа и воздуха для сгорания в горелочную систему, и воздух с приблизительно 150°С, например, подают в насадочную камеру Т через воздуходувную трубу S. В процессе прохождения вверх внутри насадочной камеры Т воздух превращается в горячее дутье с приблизительно 1200°С, например, и это горячее дутье подается в печь с дутьем через трубу горячего воздуха Н (направление Х3).
Таким образом, в операции сгорания низкотемпературный смешанный газ, включающий в себя низкотемпературный топливный газ и воздух для сгорания, циркулирует через канал горелки, так что канал горелки охлаждается и переходит в холодное состояние. В противоположность этому, в операции воздушного дутья горячее дутье, которое проходит через насадочную камеру и идет вверх, заполняет камеру сгорания, так что канал горелки, соединяющийся с камерой сгорания, нагревается. Более конкретно, канал горелки попеременным образом подвергается охлаждению в операции сгорания и нагреву в операции воздушного дутья повторяющимся образом, и такое повторяющееся охлаждение и нагрев имеют тенденцию повреждать, например, огнеупорный материал (керамику, такую как кирпичи), который защищает внутреннюю стенку канала горелки, вследствие чего срок его службы невыгодно ограничивается.
Улучшение эффективности сгорания в горелочной системе является одной из важных задач в данной области техники. Чтобы достичь улучшения эффективности сгорания, важно приготовить смешанный газ, содержащий достаточное количество смешанного топливного газа и воздуха для сгорания.
Примеры обычной горелки, которая составляет горелочную систему, включают в себя концентрическую горелку В, имеющую тройную трубчатую структуру, как показано на фиг. 9а и 9b. В горелке В воздух для сгорания А1 проходит через центральный трубопровод Ва, топливный газ G проходит через средний трубопровод Bb по самой внешней окружности центрального трубопровода Ва, и дополнительный воздух для сгорания А2 проходит через самый внешний трубопровод Вс по внешней окружности среднего трубопровода Bb (направление Х1). Закручивающие лопасти Ra, Rb и Rc, прикрепленные к трубопроводам Ва, Bb и Вс соответственно, генерируют вихревые потоки воздуха для сгорания А1 и А2 и топливного газа G в направлениях Y1, Y2 и Y3 соответственно, и эти вихревые потоки смешиваются в канале BD горелки, образуя смешанный газ MG. Заметим, что патентный документ 2 раскрывает горелку сгорания, сконструированную так, чтобы иметь закручивающие лопасти, обеспеченные в самом внешнем трубопроводе, в структуре с многочисленными трубопроводами.
После закручивания и подачи внутрь канала BD горелки смешанный газ MG воспламеняется и сгорает. Газ после сгорания течет в камеру сгорания N, при закручивании подобно газу до сгорания.
Однако когда вихревой поток смешанного газа MG образуется и затем сгорает для производства вихревого потока газа сгорания внутри канала BD горелки, и этот вихревой поток течет в камеру сгорания N, как показано на фиг. 9а, еще более вихревой поток газа сгорания (этот вихревой поток не является двумерным вихревым потоком Х4, показанным на фиг. 8) образуется внутри камеры сгорания N, и этот вихревой поток быстро попадает, например, в насадочную камеру Т ниже камеры сгорания N. Поэтому трудно сформировать поток газа сгорания, который течет из канала BD горелки в камеру сгорания N в виде линейного потока (направление Х1), как показано на фиг. 8.
Большой вихревой поток газа сгорания (поток в направлении Х4) образуется внутри камеры сгорания N, как показано на фиг. 8, когда протекает газ сгорания, и этот поток в камеру сгорания N из соответствующих каналов BD горелки имеет линейный компонент определенной степени, так что потоки газа сгорания сталкиваются друг с другом, вызывая формирование большого вихревого потока. Следовательно, если большой вихревой поток смешанного газа, показанный на фиг. 9, путем распространения вихревого потока газа сгорания, возникающего от сгорания данного вихревого потока, просто образуется в канале BD горелки в попытке достижения достаточного смешивания воздуха для сгорания с топливным газом с образованием смешанного газа, невозможно образовать внутри камеры сгорания N большой вихревой поток (в направлении Х4), способный подавать высокотемпературный газ сгорания во все области насадочной камеры Т, так как газ сгорания не имеет достаточного линейного компонента.
Ввиду этих проблем требуется разработать технологию, способную решить все данные вопросы, включая генерацию смешанного газа, включающего достаточно смешанный топливный газ и воздух для сгорания в горелочной системе; обеспечение достаточного линейного компонента газа сгорания, который получается путем сгорания смешанного газа в канале горелки, введение указанного газа сгорания в камеру сгорания и формирование большого вихревого потока внутри камеры сгорания, чтобы подавать высокотемпературный газ сгорания во всю насадочную камеру; и решение проблемы огнеупорного материала на внутренней стенке канала горелки, вероятно повреждаемого повторяющимся охлаждением и нагревом, прикладываемым к огнеупорному материалу на внутренней стенке канала горелки.
ПАТЕНТНАЯ ЛИТЕРАТУРА
Патентный документ 1: JP патентная публикация (Kokoku) № 48-4284 В (1973)
Патентный документ 2: JP патент № 3793466
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
ТЕХНИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА
Настоящее изобретение было сделано ввиду вышеуказанных проблем, и задачей настоящего изобретения является обеспечить воздухонагреватель с верхним обогревом, способный решить все вопросы, включая генерацию смешанного газа, включающего достаточно смешанный топливный газ и воздух для сгорания в горелочной системе; обеспечение достаточного линейного компонента газа сгорания, который получается путем сгорания смешанного газа в канале горелки, введение указанного газа сгорания в камеру сгорания и формирование большого вихревого потока внутри камеры сгорания, чтобы подавать высокотемпературный газ сгорания во всю насадочную камеру; и решение проблемы огнеупорного материала на внутренней стенке канала горелки, вероятно повреждаемого повторяющимся охлаждением и нагревом, прикладываемым к области канала горелки со стороны камеры сгорания.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Чтобы достичь вышеуказанной цели, воздухонагреватель с верхним обогревом согласно настоящему изобретению включает в себя насадочную камеру, включающую в себя воздуходувную трубу для приема подачи воздуха для горячего дутья; и камеру сгорания, которая включает в себя трубу горячего дутья и горелочную систему для подачи горячего дутья в печь с дутьем, которая расположена над насадочной камерой, где насадочная камера нагревается путем сгорания смешанного газа, включающего в себя топливный газ и воздух для сгорания, подаваемого из горелочной системы в камеру сгорания, и горячее дутье, которое генерируется, когда воздух для горячего дутья проходит через насадочную камеру, подается в печь с дутьем через трубу горячего дутья, где горелочная система включает в себя горелку со структурой из множества трубопроводов, имеющую три или больше трубопроводов, различных по диаметру, где каждый из трубопроводов переносит топливный газ или воздух для сгорания; и канал горелки, соединяющийся с горелкой, где указанный канал горелки соединяется с камерой сгорания, причем среди трубопроводов, составляющих структуру из множества трубопроводов, трубопроводы, которые не являются самым внешним трубопроводом, включают в себя средство генерации вихревого потока, обеспеченное для генерации вихревого потока топливного газа или воздуха для сгорания, который течет внутри трубопроводов, тогда как самый внешний трубопровод переносит линейный поток топливного газа или воздуха для сгорания, где вихревой поток смешанного газа генерируется с помощью вихревых потоков топливного газа и воздуха для сгорания, которые втекают в канал горелки, и указанный вихревой поток смешанного газа и линейный поток топливного газа или воздуха для сгорания сгорают, протекая через канал горелки, так что генерируется газ сгорания, содержащий линейный компонент и вихревой компонент, где газ сгорания подается в камеру сгорания из, по меньшей мере, одной или нескольких горелочных систем в приточном направлении, которое не проходит через центральное положение камеры сгорания.
В воздухонагревателе с верхним обогревом настоящего изобретения сделаны модификации в горелке, составляющей горелочную систему, которая является составляющим элементом воздухонагревателя с верхним обогревом. То есть в горелке со структурой из множества трубопроводов, имеющей три или больше трубопроводов, различных по диаметру, трубопроводы, которые не являются самым внешним трубопроводом, включают в себя средство генерации вихревого потока, обеспеченное для генерации вихревого потока топливного газа или воздуха для сгорания, и эти вихревые потоки смешиваются внутри канала горелки, так что может генерироваться достаточно смешанный газ. Кроме того, самый внешний трубопровод горелки переносит топливный газ или воздух для сгорания в виде линейного потока без закручивания, и указанный линейный поток прямо вводится в канал горелки, так что вихревой поток смешанного газа и линейный поток топливного газа или воздуха для сгорания проходят через канал горелки.
Например, предполагается случай, когда горелка имеет концентрическую тройную трубопроводную структуру с введением воздуха для сгорания в ее центральный трубопровод, топливного газа в средний трубопровод и дополнительного воздуха для сгорания в самый внешний трубопровод. В этом случае вихревые потоки топливного газа и воздуха для сгорания генерируются средством генерации вихревого потока, обеспеченным в этих двух центральных трубопроводах, и эти вихревые потоки смешиваются внутри канала горелки. Полученный смешанный газ течет через канал горелки вместе с дополнительным воздухом для сгорания, который течет прямо по периферии смешанного газа без закручивания. Более конкретно, в канале горелки формируется газовый поток, образованный из смеси линейного компонента из воздуха для сгорания и вихревого компонента из топливного газа, и образованный газовый поток воспламеняется и сгорает в области канала горелки вблизи камеры сгорания. Газ после сгорания также превращается в газ сгорания, имеющий линейный компонент и вихревой компонент подобно газовому потоку до сгорания, и протекает в камеру сгорания.
Вихревой компонент газа сгорания, образованный средством генерации вихревого потока в этих двух центральных трубопроводах, образует область отрицательного давления в центральной части канала горелки. Высокотемпературная атмосфера в камере сгорания образуется в образованной таким образом области отрицательного давления, и образовавшаяся высокотемпературная атмосфера излучается на внутреннюю стенку канала горелки. Это позволяет нагревать внутреннюю стенку, которая имеет тенденцию охлаждаться в операции сгорания.
Так как внутренняя стенка канала горелки со стороны камеры сгорания нагревается в операции сгорания, разница температур на внутренней стенке между операцией сгорания и операцией горячего дутья значительно снижается. Соответственно, становится возможным эффективно подавлять повреждение огнеупорного материала на внутренней стенке канала горелки, вызываемое повторяющимся охлаждением и нагревом.
Кроме того, так как газ сгорания имеет линейный компонент, газ сгорания может вводиться в камеру сгорания с приданной ему достаточной линейностью. Газ сгорания, который втекает в камеру сгорания с линейным компонентом, сталкивается с газом сгорания, который втекает в камеру сгорания из других горелочных систем, или газ сгорания с линейным компонентом течет в камеру сгорания и затем ударяется о противоположную внутреннюю стенку камеры сгорания, так что направление его течения изменяется. Вследствие этого большой вихревой поток газа сгорания легко формируется в камере сгорания, если смотреть в двумерной плоскости, что позволяет подавать высокотемпературный газ сгорания во всю область насадочной камеры.
Таким образом, в воздухонагревателе с верхним обогревом настоящего изобретения выполнена модификация горелки, составляющей горелочную систему, которая является составляющим элементом воздухонагревателя с верхним обогревом. Вследствие этого вихревой поток смешанного газа и линейный поток топливного газа или воздуха для сгорания генерируются внутри канала горелки, и эти потоки сгорают внутри канала горелки, так что образуется газ сгорания с линейным компонентом и вихревым компонентом. Более конкретно, путем оптимизации компонентов потока газа сгорания становится возможным генерировать внутри горелочной системы смешанный газ, включающий в себя смешанный топливный газ и воздух для сгорания, и тем самым увеличить эффективность сгорания в горелочной системе. Кроме того, большой вихревой поток газа сгорания может быть образован внутри камеры сгорания и может подаваться во всю насадочную камеру, что позволяет сформировать воздухонагреватель, превосходный по способности генерировать горячее дутье. Кроме того, становится возможным снизить разницу температур на внутренней стенке канала горелки между операцией сгорания и операцией горячего дутья и тем самым увеличить срок службы огнеупорного материала на внутренней стенке канала горелки.
Теперь в качестве средства генерации вихревого потока могут быть обеспечены следующие два варианта осуществления.
Один вариант осуществления обеспечивает закручивающие лопасти в каждом из трубопроводов, ином чем самый внешний трубопровод.
Например, в случае, когда горелка имеет концентрическую тройную трубопроводную структуру, два центральных трубопровода обеспечены закручивающими лопастями, особыми для каждого трубопровода. В случае, когда горелка имеет концентрическую пятерную трубопроводную структуру, четыре центральных трубопровода обеспечены закручивающими лопастями, особыми для каждого трубопровода. В любой из указанных структур самый внешний трубопровод не обеспечен закручивающими лопастями, так что топливный газ или воздух для сгорания течет через самый внешний трубопровод в виде линейного потока и втекает в канал горелки.
Другой вариант осуществления средства генерации вихревого потока обеспечивает разные средства генерации для каждого из множества трубопроводов, которые составляют горелку. То есть центральный трубопровод, имеющий минимальный диаметр, обеспечивается закручивающей лопастью, а в трубопроводах, которые не являются самым внешним трубопроводом и центральным трубопроводом, топливный газ или воздух для сгорания подается в положении эксцентрическом или в положении наклонном к центру оси трубопроводов.
Настоящий вариант осуществления подобен вышеописанному варианту осуществления в том, что центральный трубопровод, расположенный в центре, имеет закручивающую лопасть. Однако средство генерации вихревого потока, примененное в других трубопроводах за исключением самого внешнего трубопровода, сконструировано так, что направление подачи топливного газа или воздуха для сгорания в трубопроводы организовано так, что топливный газ или воздух для сгорания подается в положении эксцентрическом или в положении наклонном к центру оси трубопроводов. В результате становится возможным формировать вихревой поток (или спиральный поток) по периферии трубы с меньшим диаметром.
Например, в случае, когда горелка имеет концентрическую тройную трубопроводную структуру, подача газа в трубопровод, расположенный посередине, выполняется в положении, эксцентрическом к центру оси трубопровода, так что вихревой поток формируется на периферии центрального трубопровода и втекает в канал горелки.
В качестве конфигурации установки горелочной системы на камере сгорания, предпочтительно, когда три горелочные системы расположены на камере сгорания с интервалами 120 градусов, и когда газ сгорания подается из соответствующих горелочных систем в камеру сгорания в приточном направлении, которое не проходит через центральное положение камеры сгорания. Кроме того, желательно, когда четыре горелочные системы расположены на камере сгорания с интервалами 90 градусов, и когда газ сгорания подается из соответствующих горелочных систем в камеру сгорания в приточном направлении, которое не проходит через центральное положение камеры сгорания.
В качестве конфигурации установки горелочной системы на камере сгорания в случае, когда, например, обеспечена только одна горелочная система, указанная горелочная система может быть расположена так, что газ сгорания подается в приточном направлении, которое не проходит через центральное положение камеры сгорания. Это позволяет генерировать вихревой поток внутри камеры сгорания. В этом случае, однако, газ сгорания, который втекает в камеру сгорания из одной горелочной системы, ударяется о противоположную внутреннюю стенку камеры сгорания и изменяет, тем самым, свою траекторию. В результате газ сгорания образует вихревой поток, протекая вдоль внутренней стенки камеры сгорания.
Напротив, в случае, когда три горелочные системы установлены на камере сгорания с интервалами 120 градусов, и в случае, когда четыре горелочные системы установлены на камере сгорания с интервалами 90 градусов, газу сгорания, который втекает в камеру сгорания из одной горелочной системы, становится легко сталкиваться с газом сгорания из других горелочных систем. Это взаимное столкновение позволяет гладкое формирование большого вихревого потока в камере сгорания, если смотреть в двумерной плоскости.
ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫЕ ЭФФЕКТЫ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно воздухонагревателю с верхним обогревом настоящего изобретения, как ясно из вышеприведенного описания, вихревой поток смешанного газа и линейный поток топливного газа или воздуха для сгорания генерируются внутри канала горелки, и эти потоки сгорают внутри канала горелки, так что образуется газ сгорания с линейным компонентом и вихревым компонентом. В результате становится возможным сформировать смешанный газ, включающий в себя достаточно смешанный топливный газ и воздух для сгорания, внутри горелочной системы и, тем самым, увеличить эффективность сгорания в горелочной системе. Кроме того, становится возможным вводить газ сгорания с достаточным линейным компонентом в камеру сгорания из канала горелки, так что большой вихревой поток газа сгорания может быть образован внутри камеры сгорания и может подаваться во всю насадочную камеру, что позволяет обеспечить воздухонагреватель с верхним обогревом, превосходный по способности генерации горячего дутья. Кроме того, вихревой компонент газа сгорания в канале горелки образует область отрицательного давления, и высокотемпературная атмосфера в камере сгорания образуется в данной области отрицательного давления, так что ее излучаемое тепло подается на внутреннюю стенку канала сгорания. В результате становится возможным снизить разницу температур на внутренней стенке канала горелки между операцией сгорания и операцией горячего дутья и устранить или уменьшить повторяющийся цикл охлаждения и нагрева в нем, так что срок службы огнеупорного материала, расположенного на внутренней стенке, может быть увеличен.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 представляет собой схематичное изображение, показывающее один вариант осуществления воздухонагревателя с верхним обогревом настоящего изобретения, в котором потоки смешанного газа, газа сгорания, воздуха для горячего дутья и горячего дутья изображены вместе.
Фиг. 2 представляет собой вид в поперечном сечении, сделанном вдоль стрелочной линии II-II на фиг. 1.
Фиг. 3(а) и 3(b) представляют собой виды в поперечном сечении, сделанные вдоль стрелочной линии III-III на фиг. 1, каждая из которых показывает потоки газа сгорания в камере сгорания и показывает конфигурацию установки горелочных систем на камере сгорания.
Фиг. 4(а) и 4(b) представляют собой виды в поперечном сечении, сделанные вдоль стрелочной линии III-III на фиг. 1 подобно фиг. 3(а) и 3(b), каждая из которых показывает потоки газа сгорания в камере сгорания и показывает конфигурацию установки горелочных систем на камере сгорания.
Фиг. 5 представляет собой продольный вид в разрезе, показывающий один вариант осуществления горелочной системы, в котором объясняются газ сгорания, включающий в себя линейный компонент и вихревой компонент, а также область отрицательного давления, образованная газом сгорания.
Фиг. 6(а) представляет собой продольный вид в разрезе другого варианта осуществления горелки, которая составляет горелочную систему, тогда как фиг. 6(b) представляет собой вид в поперечном сечении, сделанный вдоль стрелочной линии b-b на фиг. 6(а).
Фиг. 7 представляет собой схематичное изображение, показывающее один вариант осуществления традиционного воздухонагревателя с верхним обогревом, в котором потоки смешанного газа, газа сгорания, воздуха для горячего дутья и горячего дутья изображены вместе.
Фиг. 8 представляет собой вид в поперечном сечении, сделанном вдоль стрелочной линии VIII-VIII на фиг. 7, показывающий потоки газа сгорания в камере сгорания.
Фиг. 9 представляет собой продольный вид в разрезе, показывающий один вариант осуществления традиционной горелочной системы.
ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Далее будет дано описание вариантов осуществления воздухонагревателя с верхним обогревом настоящего изобретения со ссылкой на чертежи.
Фиг. 1 представляет собой схематичное изображение, показывающее один вариант осуществления воздухонагревателя с верхним обогревом настоящего изобретения, в котором потоки смешанного газа, газа сгорания, воздуха для горячего дутья и горячего дутья изображены вместе. Фиг. 2 представляет собой вид в поперечном сечении, сделанном вдоль стрелочной линии II-II на фиг. 1. Фиг. 3(а), 3(b), 4(а) и 4(b) представляют собой виды в поперечном сечении, сделанные вдоль стрелочной линии III-III на фиг. 1, каждый из которых показывает потоки газа сгорания в камере сгорания и показывает конфигурацию установки горелочных систем на камере сгорания. Дополнительно, фиг. 5 представляет собой продольный вид в разрезе одного варианта осуществления горелочной системы.
Воздухонагреватель 10 с верхним обогревом, показанный на фиг. 1, имеет в целом круглую форму или в общем круглую форму (такую как овальная форма) и включает в себя камеру 3 сгорания, расположенную над насадочной камерой 4. Смешанный газ, включающий в себя топливный газ и воздух для сгорания, подаваемый из горелки 1 (направление Х1), воспламеняется и сгорает в процессе прохождения через канал 2 горелки и течет в камеру 3 сгорания в виде высокотемпературного газа сгорания. Следует заметить, что горелка 1 и канал 2 горелки составляют горелочную систему. Строго говоря, газ, который течет из канала 2 горелки в камеру 3 сгорания, включает в себя не только газ сгорания, но также несгоревший смешанный газ и топливный газ. В этом описании, однако, газ сгорания, который является основным компонентом газа, втекающего в камеру 3 сгорания, берется в качестве примера для объяснения.
Как показано на фигуре 3(а), четыре канала 2 горелки обеспечиваются на камере 3 сгорания, если смотреть в двумерной плоскости, а соответствующие каналы горелок расположены в положениях, разнесенных на 90 градусов друг от друга. Каждый из каналов 2 горелки соединен с камерой 3 сгорания в эксцентрическом положении, так что приточное направление газа сгорания в камеру 3 сгорания не проходит через центр О камеры 3 сгорания, которая имеет круглую форму, если смотреть в двумерной плоскости. В результате, газ сгорания, который втекает в камеру 3 сгорания из каждого из каналов 2 горелки, сталкивается с газом сгорания, который втекает в камеру 3 сгорания из соседнего с ним канала 2 горелки. Таким образом, направление потока каждого газа сгорания изменяется так, чтобы образовать большой вихревой поток газа сгорания (направление потока Х4) в камере 3 сгорания, как показано на чертежах.
Заметим, что конфигурация установки каналов 2 горелки на камере 3 сгорания не ограничивается вышеуказанной конфигурацией, но может включать в себя конфигурацию из трех горелочных систем, расположенных на камере 3 сгорания с интервалами 120 градусов, как показано на фигуре 3(b), конфигурацию с одной горелочной системой, установленной на камере 3 сгорания, как показано на фиг. 4(а), и конфигурацию из двух горелочных систем, установленных на камере 3 сгорания в положениях, разнесенных на 90 градусов друг от друга, как показано на фиг. 4(b). В любой из указанных конфигураций канал 2 горелки соединен с камерой 3 сгорания в эксцентрическом положении, так что приточное направление смешанного газа в камеру 3 сгорания не проходит через центр О камеры 3 сгорания, которая имеет круглую форму, если смотреть в плоскости.
Газ сгорания протекает по направлению вниз во всю насадочную камеру 4, закручиваясь с большим радиусом вращения, если смотреть в двумерной плоскости, как показано на фиг. 3 и 4, и образуя спиральный поток, спускающийся в направлении Х2 на фиг. 1, как видно в продольном разрезе. В процессе течения вниз тепло сохраняется в насадочной камере 4, и газ сгорания, который прошел через насадочную камеру 4, выпускается через газоотводную трубу 7, в которой запорный клапан 7а должен быть открыт. Такая операция, как сгорание смешанного газа в горелочной системе и нагрев насадочной камеры 4 высокотемпературным газом сгорания, подаваемым в насадочную камеру 4, может быть названа "операцией сгорания".
Как показано на фиг. 2, горелка 1 имеет концентрическую структуру с многочисленными трубопроводами с тремя отверстиями. Как показано на фиг. 5, горелка 1 связана с каналом 2 горелки на ее торцевой стороне 1а в сообщающемся положении, так что центральный трубопровод 1b содержит протекающий в нем воздух для сгорания А1, средний трубопровод 1с содержит протекающий в нем топливный газ G, а самый внешний трубопровод 1d содержит протекающий в нем дополнительный воздух для сгорания А2.
Дополнительно, центральный трубопровод 1b и средний трубопровод 1с, которые не являются самым внешним трубопроводом 1d, оборудованы закручивающими лопастями 8b и 8с соответственно, прикрепленными внутри них.
В двух центральных трубопроводах 1b и 1с вихревые потоки Х1' воздуха для сгорания А1 и топливного газа G (направление Y1 и направление Y2) генерируются каждый закручивающими лопастями 8b и 8с, и эти вихревые потоки Х1' смешиваются внутри канала 2 горелки, и тем самым образуется вихревой поток смешанного газа MG. Полученный смешанный газ MG течет внутри канала 2 горелки вместе с дополнительным воздухом для сгорания А2, который течет прямо по периферии указанного смешанного газа без закручивания.
Более конкретно, газовый поток, образованный из смеси линейного компонента из воздуха для сгорания А2 и вихревого компонента из смешанного газа MG, образуется в канале 2 горелки, и этот газовый поток воспламеняется и сгорает в области канала 2 горелки вблизи камеры сгорания. В результате, газ сгорания HG, имеющий линейный компонент HG" и вихревой компонент HG', образуется подобно газовому потоку до сгорания, и этот газ сгорания HG протекает в камеру 3 сгорания.
Вихревой компонент HG' в газе сгорания HG образует область отрицательного давления NP в области канала 2 горелки со стороны камеры 3 сгорания. Высокотемпературная атмосфера в камере 3 сгорания образуется в сформированной области отрицательного давления NP (направление Z1), и образованная высокотемпературная атмосфера излучается на внутреннюю стенку канала 2 горелки (направление Z2). Это позволяет нагревать внутреннюю стенку в области канала 2 горелки со стороны камеры сгорания, которая имеет тенденцию охлаждаться в операции сгорания.
Так как внутренняя стенка канала 2 горелки нагревается в операции сгорания, разница температур на внутренней стенке между операцией сгорания и операцией воздушного дутья значительно уменьшается. Соответственно, становится возможным эффективно подавлять повреждение огнеупорного материала на внутренней стенке канала горелки, вызываемого повторяющимся охлаждением и нагревом.
Кроме того, так как газ сгорания HG имеет линейный компонент HG", газ сгорания HG может вводиться в камеру 3 сгорания с приданной ему достаточной линейностью. Газ сгорания HG, который втекает в камеру 3 сгорания с линейным компонентом, сталкивается с газом сгорания, который втекает в камеру 3 сгорания из других горелочных систем (в случае фиг. 3(а) и 3(b)), или газ сгорания HG течет в камеру 3 сгорания и затем ударяется в противоположную внутреннюю стенку камеры 3 сгорания, так что направление его потока изменяется (в случае фиг. 4(а) и 4(b)). Вследствие этого большой вихревой поток Х4 газа сгорания HG, если смотреть в плоскости, легко формируется в камере 3 сгорания, что позволяет подавать высокотемпературный газ сгорания HG во все области насадочной камеры 4.
Фиг. 6(а) показывает другой вариант осуществления горелки, которая составляет горелочную систему. Эта горелка 1А также имеет концентрическую тройную трубопроводную структуру. Однако центральный трубопровод 1b оборудован закручивающей лопастью 8b, а в среднем трубопроводе 1с направление подачи топливного газа G в трубопровод является эксцентрическим относительно центральной оси трубопровода, так что газ подается в этом эксцентрическом положении, как показано на фиг. 6(b). Так как топливный газ G подается в средний трубопровод 1с в эксцентричном положении или в наклонном направлении, вихревой поток Х1" (или спиральный поток) может быть образован на периферии центрального трубопровода 1b и внутри среднего трубопровода 1с.
Обращаясь опять к фиг. 1, когда горячее дутье подается в непоказанную печь с дутьем, запорный клапан 2а в канале 2 горелки и газоотводный клапан 7а в газоотводной трубе 7 должны быть закрыты, а через воздуходувную трубу 6 с открытым запорным клапаном 6а высокотемпературный воздух при приблизительно 150°С, например, подается в насадочную камеру 4. В процессе движения вверх в насадочной камере 4 высокотемпературный воздух превращается в горячее дутье с приблизительно 1200°С, например, и горячее дутье подается в печь с дутьем (направление Х3) через трубу 5 горячего дутья с открытым запорным клапаном 5а. Такая операция получения горячего дутья в воздухонагревателе и подачи его в печь с дутьем может быть названа "операция воздушного дутья".
Согласно воздухонагревателю 10 с верхним обогревом, показанному на чертеже, вихревой поток смешанного газа MG и линейный поток топливного газа или воздуха для сгорания генерируются внутри канала 2 горелки, и эти потоки сгорают внутри канала 2 горелки, так что получается газ сгорания HG с линейным компонентом HG" и вихревым компонентом HG'. В результате, становится возможным сформировать смешанный газ MG, включающий в себя достаточно смешанные топливный газ и воздух для сгорания, внутри горелочной системы и, тем самым, увеличить эффективность сгорания в горелочной системе. Кроме того, становится возможным вводить газ сгорания HG с достаточным линейным компонентом в камеру 3 сгорания из канала 2 горелки, так что большой вихревой поток газа сгорания HG может быть образован внутри камеры 3 сгорания и может подаваться во всю насадочную камеру 4, что позволяет обеспечить воздухонагреватель с верхним обогревом, превосходный по способности генерировать горячее дутье. Кроме того, вихревой компонент HG' газа сгорания HG в канале 2 горелки формирует область отрицательного давления NP, и высокотемпературная атмосфера в камере 3 сгорания образуется в данной области отрицательного давления, так что ее излучаемое тепло подается на внутреннюю стенку канала горелки. В результате, становится возможным снизить разницу температур внутренней стенки канала горелки между операцией сгорания и операцией воздушного дутья и устранить или уменьшить повторяющийся цикл ее охлаждения и нагрева, так что срок службы огнеупорного материала, расположенного на внутренней стенке, может быть улучшен.
Хотя каждый вариант осуществления настоящего изобретения подробно описан со ссылкой на чертежи, следует понимать, что конкретная структура не ограничивается описанными вариантами осуществления, и поэтому подразумевается, что различные модификации и изменения в конструкции, которые находятся внутри объема и сущности настоящего изобретения, охватываются им.
СПИСОК ЧИСЛЕННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1, 1А ... горелка, 1b ... центральный трубопровод, 1с ... средний трубопровод, 1d ... самый внешний трубопровод, 1а ... выход горелки, 2 ... канал горелки, 2а ... запорный клапан, 3 ... камера сгорания, 4 ... насадочная камера, 5 ... воздуходувная труба, 6 ... труба дутья, 7 ... газоотводная труба, 8b, 8с ... закручивающая лопасть, 10 ... воздухонагреватель с верхним обогревом, G ... топливный газ, А1, А2 ... воздух для сгорания, MG ... смешанный газ, HG ... газ сгорания, HG' ... вихревой компонент газа сгорания, HG" ... линейный компонент газа сгорания.