用于從燃燒產物中回收熱量的方法和系統的制作方法

專利名稱：用于從燃燒產物中回收熱量的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明的領域本發明涉及對燃燒加熱器的設計和結構上的改進，燃燒加熱器例如為蒸汽發生器、熱水鍋爐、熱油加熱器、空氣加熱器、不冷卻爐膛鍋爐或者任何其它流體加熱器和其它涉及燃燒的裝置，例如直燃式蒸汽吸收熱泵。在本發明中，通過采用一種新方法使得這些燃燒加熱器結構緊湊。在公知常識中，在傳熱裝置的對流區采用高速度能夠增加傳熱系數，從而減小傳熱表面積。還知道如果燃燒室壓力增加，能減小火焰尺寸。不過，當燃燒室壓力和廢氣速度增加時，壓力降損失將很大。在本發明中，通過與產生高壓空氣而不使用外部動力的現有方法相結合，并通過成數量級地改變其尺寸，可以使燃燒加熱器變得緊湊。
還提供了一種用于上述發明的啟動系統。同時也提出了一種新型的用于燃燒加熱器的所述改進結構中的燃燒器組件。
還提供了一種使用渦輪增壓器/渦輪壓縮機的新方法。
本發明的背景技術通常，在各種燃燒加熱器如蒸汽發生器、熱油加熱器、空氣加熱器等中，涉及傳熱過程的主要部件如下a)用于燃燒燃料的燃燒器；b)傳熱表面，既可以在輻射區，也可以在對流區。輻射傳熱表面通常是指火焰外殼，該火焰外殼也作為燃燒室。
c)維持系統壓力降(流體阻力)的風扇或鼓風機，該系統包括燃燒器和通過傳熱表面的氣體通道。(在自然通風系統中，該壓力與煙囪產生的氣流相一致。)由于對流區的高速度導致更高的壓力降并需要較高的風扇功率，因此在設計這些系統時有實際的限制。因此需要在風扇功率和燃燒加熱器內所使用的速度之間進行優化平衡。
眾所周知，對流區的高速度將使對流區有高的傳熱系數。另外，還知道燃燒室中壓力越高，火焰尺寸將越小。不過，使燃燒室內的壓力超過大約200-500mm.wc運行是不現實的，因為這要付出風扇功率的代價，這將增加運行成本。實際上燃燒加熱器通常按這一標準設計，除非當空間不夠時，通過準許高風扇功率來減小加熱器的尺寸。
因此，當系統達到最大許可壓力降后，燃燒室的尺寸取決于火焰尺寸和對流區的最大可能速度，該最大速度取決于可獲得的壓力降。
渦輪增壓器/渦輪壓縮機已經使用多年，它主要用于增加內燃機(例如柴油機)的燃燒空氣壓力和數量。通過使用渦輪增壓器，因為能泵吸更多的空氣進入燃燒室，從而能在同樣大小的發動機中燃燒更多的燃料，因此柴油機功率增加。渦輪增壓器包括渦輪部分和壓縮機部分，它們在同一軸上運轉。該渦輪部分在排氣前從發動機接受廢氣，由于廢氣的溫度和壓力下降而產生的動力僅僅是用于壓縮吸入的燃燒空氣。
在本發明中，渦輪增壓器/渦輪壓縮機用于代替風扇以產生高壓燃燒空氣，并采用排氣的殘余溫度和壓力來產生壓縮機所需的功率。因此，渦輪增壓器能很好地用于燃燒加熱器中，這將大大減小燃燒加熱器的尺寸。
在內燃機中，渦輪增壓器用不著從一開始就直接工作。該發動機可以不帶渦輪增壓器啟動，并以正常的自然吸氣模式運轉。只有當形成足夠的氣量和壓力時，渦輪增壓器才能聯機。這樣，內燃機的啟動系統就建立了。當渦輪增壓器用于燃燒加熱器時，需要一種新的啟動方法。在沒有風扇時，當渦輪增壓器不工作時，也無法使燃燒器點火。本發明也介紹了一種新型的啟動系統。
燃燒系統包括燃燒燃料的燃燒器。在普通燃燒系統中，加熱器在氣壓不超過大約500mm.wc的情況下工作。燃燒器的設計也適于在該壓力條件下工作。當使用渦輪增壓器時，燃燒室將必須在高得多的壓力下工作，需要不同的燃燒器結構。如果要使帶有渦輪增壓器的新型燃燒加熱器結構緊湊，就需要相匹配的燃燒器系統。因此需要引入新型的燃燒器組件，用于使燃燒室在非常高的壓力下工作。這使得燃燒加熱器一渦輪增壓器啟動系統除了氣體燃料如天然氣、LPG、沼氣等外，還適于燃燒多種燃料如HSD、LDO、FO、LSHS等。
因此，本發明一方面涉及改進的傳熱裝置。
另一方面，本發明還涉及用于該改進的傳熱裝置的新型啟動系統。
第三方面，本發明還涉及使用渦輪增壓器/渦輪壓縮機系統的新方法。
第四方面，本發明還涉及用于改進的傳熱裝置和其它傳熱裝置的新型燃燒器組件。
現有技術及其缺點的說明基于對流和輻射傳熱的普通傳熱裝置已是公知的。
盡管已經商業化使用，對流-輻射傳熱裝置具有下面所述的特征/局限/缺點a)需要大尺寸的裝置和組件，這增加了裝置及安裝的初始成本，并增加了空間。
b)傳熱系數受到廢氣狀態的限制，尤其是受到在用于熱量回收的對流區中的燃燒產物(廢氣)的速度的限制。
c)燃燒空氣風扇需要一定的電能。
d)需要一定的過量空氣，這影響總效率。
e)由于火焰的長度和直徑的尺寸較大，燃燒室的尺寸也必須較大。
f)由于某些局限，適用于不同的應用場合的靈活性受到限制。
本發明目的提出了一種傳熱裝置設計的替換形式，即一種小尺寸的改進的傳熱裝置。
因此，本發明的主要目的是提供一種結構緊湊和成本合算的改進型傳熱裝置。
本發明的另一目的是提供這樣一種傳熱裝置，該傳熱裝置保證有比現有技術裝置更高的熱流/傳熱系數。
本發明的又一目的是提供這樣一種傳熱裝置，該傳熱裝置在保證更高的熱流/傳熱系數的同時所需的傳熱面積比現有技術裝置小。
本發明的又一目的是提供這樣一種傳熱裝置，該傳熱裝置在保證其它目的的同時，總體尺寸和重量比現有技術裝置減小。
本發明的還一目的是通過在系統中提供渦輪增壓器/渦輪壓縮機了來排除消耗電能的主要部件。
本發明的又一目的是提供這樣一種傳熱裝置，通過使該傳熱裝置及其方法更經濟，使得該裝置需要更少的運行費用。
本發明的又一目的是提供這樣一種改進的傳熱裝置，該傳熱裝置有更大的工作靈活性和適于不同應用場合的靈活性，例如蒸汽發生器、熱水發生器、熱水發生器、熱流體加熱器、空氣加熱器、不冷卻爐堂鍋爐、直燃式蒸汽吸收熱泵等。
本發明的還一目的是提供這樣一種傳熱裝置，該傳熱裝置還適于多種燃料如HSD、LDO、FO、LSHS等或者任何其它類似的液體燃料，以及氣體燃料如天然氣、沼氣、LPG等。
本發明的又一目的是提供一種新型啟動機構，該啟動機構用于初始啟動與改進的傳熱裝置相適應的渦輪增壓器/渦輪壓縮機。
本發明的還一目的是提供一種新型燃燒器設計，以便在火焰尺寸小于現有技術火焰尺寸的同時提供更有效的燃燒。
此外，本發明的還一目的是提供一種改進的傳熱方法，該傳熱方法保證提高或改進熱流/傳熱系數，所需的裝置總體尺寸小于現有技術，不需要用于吹送通過該裝置的燃燒空氣的電能，同時還有適于不同應用場合例如蒸汽發生器、熱水發生器、熱流體加熱器、空氣加熱器、不冷卻爐堂鍋爐、直燃式蒸汽吸收熱泵等和相似應用的更大靈活性，并且使用更容易、經濟性好。
通過下面的介紹將更清楚地理解本發明的這些和其它目的。
本發明的概述根據本發明，提供了一種從燃料的燃燒產物(廢氣)中回收熱量的方法，該燃料燃燒產物的溫度高于相當低溫度的另一流體的溫度，該方法包括以下步驟(ⅰ)通過在燃燒階段中向燃料供給由渦輪增壓器/渦輪壓縮機增能的壓縮空氣，增加由燃料燃燒產生的熱廢氣的速度，該速度是現有技術的速度的幾倍；(ⅱ)使得燃料和高壓空氣一起在外殼中進行燃燒；(ⅲ)調節燃料燃燒速度與空氣質量/壓力之間的比例，從而獲得穩定的燃燒條件；(ⅳ)在所述燃燒外殼中產生和保持穩定的火焰尺寸(長度和直徑)，該火焰尺寸遠遠小于現有技術能的火焰尺寸；(ⅴ)回收并間接地將一小部分燃燒熱量傳遞給相對較冷的外部流體，該外部流體保持環繞著所述燃燒外殼；(ⅵ)使燃燒產物經過第一換熱器；(ⅶ)主要通過所述第一換熱器中的對流傳熱來回收和間接地將燃燒產物的大部分熱量傳遞給外部流體，該外部流體可以與環繞該燃燒器外殼的所述流體相同，也可以是完全不同的流體；(ⅷ)使從所述第一換熱器中出來并消耗了部分熱量的廢氣通過渦輪增壓器/渦輪壓縮機的渦輪，并將廢氣的部分熱能轉換成渦輪增壓器/渦輪壓縮機的渦輪中的機械能，該機械能又用于在渦輪增壓器/渦輪壓縮機的壓縮機中將新鮮空氣壓縮成高壓，該壓縮機與渦輪壓縮機的渦輪裝在同一軸上，高壓新鮮空氣在特定應用中將作為燃燒器中的燃燒空氣，經過渦輪的廢氣再流過第二換熱器；(ⅸ)在第二換熱器中，回收和間接地將其余的熱量從所述消耗了部分熱量的廢氣中傳遞給外部流體，該外部流體可以與環繞燃燒器外殼和第一換熱器的流體相同，也可以是完全不同的流體；(ⅹ)還是通過對流傳熱由所述第二換熱器回收幾乎全部剩余的熱量；最后(ⅹⅰ)使得消耗了全部熱量的廢氣通過排氣口/煙囪排出。
渦輪壓縮空氣的壓力是從0.3至3巴，傳熱區的廢氣速度在50-2000m/sec之間，供給的壓縮空氣與燃燒階段的燃料之間的比例優選在15.5∶1至19∶1的范圍內。
燃料可以選自于但并不局限制于HSD/LDO/FO/LSHS等，或者是氣體燃料如LPG/天然氣等，并且通過引火氣體噴嘴被點火，該引火氣體噴嘴通過點火變壓器的點火電火花被點火。
空氣在所述燃燒外殼中在不同階段供給到燃燒火焰。
本發明也提供一種一個在輻射區和兩級對流區中從燃料燃燒產物(廢氣)傳遞和回收熱量的系統，它包括一個燃料燃燒器組件，該燃燒器組件可操作地連接到上游的渦輪增壓器/渦輪壓縮機，所述渦輪增壓器/渦輪壓縮機設置有一啟動機構，所述燃料燃燒器組件可操作地連接到下游的傳熱和熱量回收系統，該傳熱和熱量回收系統包括一個或多個，優選地是有兩個對流換熱型的換熱器和一個排出消耗的廢氣的排氣口或煙囪，所述啟動裝置包括一個空氣噴射器組件、外部空氣供給管道、一個外部燃料供給源、一個液體/氣體燃料燃燒器和一個混合室組件，該混合室組件可操作地使所述啟動裝置連接到所述渦輪增壓器/渦輪壓縮機上和所述熱量回收系統上，所述燃料燃燒器組件包括一個引燃噴嘴、一個點火源如點火變壓器、一個渦輪壓縮空氣進入管、一個主殼體和一個輔助殼體，該主殼體容納有燃燒器桿和噴嘴組件，該輔助殼體由燃燒室構成，并具有上游的輔助空氣混合組件和空氣擴散器組件。
兩個對流換熱器和所述燃燒室結合在一起，并有在相同外殼內的共用流體或如本文所述在不同外殼內的不同流體，以便通過對流換熱器來吸收熱量。
該系統并不局限于蒸汽發生器、熱水發生器、熱流體加熱器、空氣加熱器、不冷卻爐膛鍋爐、直燃式蒸汽吸收熱泵或類似裝置或者它們的組合，該系統包括了各種傳熱表面的布置方式，也包括但不限于煙道管結構。
燃燒器組件的殼體在合適位置設置有一個火焰檢測裝置和一個觀察孔。
輔助殼體有一前緣擴散部分，在所述部分有多個輔助空氣供給口或噴嘴，輔助空氣供給口或噴嘴適用于相對火焰橫向軸線成合適角度噴射輔助空氣。
一個用于通過本文所述方法從燃料的燃燒產物(廢氣)中傳遞和回收熱量的系統中的啟動裝置，包括一個空氣供給組件如噴射器、外部空氣供給管道、一個外部燃料供給源、一個啟動燃燒器和一個混合室組件，該混合室組件可操作地使所述啟動裝置連接到所述渦輪增壓器/渦輪壓縮機和所述熱量回收系統上。
一個用于通過本文所述方法從燃料的燃燒產物(廢氣)中傳遞和回收熱量的系統中的燃燒器組件，包括一個引燃噴嘴、一個點火源如點火變壓器、一個渦輪壓縮空氣進入管、一個主殼體和一個輔助殼體，該主殼體容納有燃燒器桿和噴嘴組件，該輔助殼體包括上游的輔助空氣混合組件和空氣擴散器組件。
燃燒器組件在合適位置設置有一個火焰檢測裝置和一個觀察孔。
輔助殼體有一前緣擴散部分，在所述部分有多個輔助空氣供給口或噴嘴，輔助空氣供給口或噴嘴適用于相對火焰橫向軸線成合適角度噴射輔助空氣。
參考附圖
對本發明的簡述下面將通過圖A、圖B和圖C對本發明進行描述。
圖A是顯示了根據本發明的新技術的燃燒加熱器的傳熱裝置的優選布置方式的方框圖。
圖B顯示了新型燃燒器系統的優選布置方式。
圖C顯示了用于初始啟動渦輪增壓器/渦輪壓縮機的新型啟動系統。
這些僅僅是優選的布置方式，本發明包括但不局限于這些布置方式。可以對這些布置方式/結構進行變化。不過，本發明可以采用所有這樣的布置方式/結構，其中，渦輪增壓器/渦輪壓縮機用于代替風扇或鼓風機，以便提供壓力提高的燃燒空氣，而這樣的目的僅僅是為了通過使燃燒室在高壓下工作和對流區在高速下工作，從而使該燃燒加熱器結構緊湊。
附圖的簡要說明下面將參考附圖對本發明進行充分的說明，該附圖只是說明了特定應用的主要方面，并不能認為是對本發明的限定。
在附圖中，圖A顯示了根據本發明的新技術的傳熱裝置的方框圖。
圖B顯示了用于該裝置內的新型燃燒器。
圖C顯示了用于初始啟動渦輪增壓器/渦輪壓縮機的新型啟動系統。
附圖的詳細說明圖A屬于本發明新型傳熱裝置的總體系統，其中，啟動系統1的細節在圖C中作了顯示并在下面作了描述，該啟動系統采用了用于初始啟動渦輪壓縮機6的外部空氣源2。外部空氣源2僅使用不到60秒的時間。由壓縮機6a產生的空氣可供用于燃燒在本發明的新型燃燒器14中的燃料，該新型燃燒器的細節在圖B中作了顯示并在下面進行描述。在燃燒器的空氣進入管獲得足夠的壓力后，該足夠的壓力由壓力開關9檢測，引燃噴嘴3通過點火變壓器4在引導氣體通路中的點火電火花被點燃。打開燃料電磁閥10并在燃燒室8中開始燃燒燃料。燃料釋放的能量進一步提高了渦輪壓縮機6的速度并且使之在穩定、自持條件下運轉。在獲得穩定速度后關閉啟動系統1。燃料燃燒速度進一步增加。隨著燃料燃燒速度的增加，渦輪壓縮機6獲得了更高的速度并且相應地更多空氣可用于燃燒。在達到完全燃燒速度時，該渦輪壓縮機6也就獲得了額定速度。渦輪壓縮機6的壓縮機6a通過空氣過濾器7吸取新鮮空氣，以額定壓力將它送至燃燒器14并流過管道5。燃燒器14在燃燒室8內產生一個非常小的火焰。熱量的一小部分傳遞到環繞該燃燒室8的外部流體15。通過第一緊湊式換熱器11驅送產生的燃燒產物，并且通過對流傳熱將熱量傳遞至外部流體15。第一換熱器11的尺寸確定是基于廢氣的高速度，從而獲得高傳熱系數以及在渦輪壓縮機6的渦輪6b入口處的合適壓力和溫度條件。在渦輪6b入口處獲得的廢氣的焓足以使該渦輪旋轉并使該壓縮機6a旋轉，從而使得系統本身就足以維持工作而不采用任何外部電驅動的風扇。然后從該渦輪6b出來的廢氣通過中間管道13流到第二緊湊式換熱器12。殘留的熱量進一步傳遞到該外部流體15。第二換熱器12的尺寸確定是基于廢氣的高速度，從而獲得高傳熱系數以及在排到煙囪16之前實現廢氣中熱含量的最佳利用。可根據需要采取適當的措施，使對于換熱器11和12的外部流體15相同或不同。
圖B屬于作為圖A所示的總體系統一部分的本發明的新型燃燒器。該燃燒器14由殼體17、燃燒器桿和噴嘴組件18、引燃噴嘴3、點火變壓器4、空氣進入管5、主空氣擴散器組件19、輔助空氣混合組件20、觀察孔21和火焰檢測裝置22組成。由燃燒器產生的火焰容納在燃燒室8內。
殼體(17)設計成可承受燃燒空氣的高壓。它安裝在傳熱裝置23的壁上。燃燒器桿和噴嘴組件18屬于空氣/蒸氣噴嘴型。氣體燃燒引燃噴嘴3用于初始點燃主燃料。引燃氣體通過點火變壓器4點燃。主燃料燃燒所需的空氣是通過空氣進入管5從渦輪壓縮機6的壓縮機6a中接受的。主空氣擴散器組件19產生強烈的湍流，從而實現主空氣和主燃料的徹底混合。輔助空氣混合組件20以一合適角度開有許多小開口，該開口迫使輔助空氣以高速進入火焰。這一特定的結構可迅速地并在一個小空間內完成燃燒。這一結構有助于將火焰限制在燃燒室8中。燃燒室進而與第一緊湊式換熱器11連接。火焰檢測裝置22檢測到火焰并將信號發給控制系統，從而繼續該過程。也可通過設置燃燒器殼體17上的觀察孔21來觀察火焰。
圖C屬于作為圖A所示的總體系統一部分的新型啟動系統的詳細圖。該啟動系統1由外部空氣供給組件2、燃料供給管24、啟動燃燒器25、抽吸口26、調節器27和混合室組件28構成。
通過外部空氣供給組件2以大約5巴的高壓供給少量的空氣。由于通過例如噴射器的裝置產生的吸力，通過抽吸口26和調節器27從大氣中吸取了幾乎兩倍量的空氣。由外部空氣源2和抽吸口26的空氣混合得到的總空氣足以作為用于燃燒啟動燃料的燃燒空氣，啟動燃料是通過啟動燃燒器25的燃料供給管24供給的。啟動燃燒器25的燃燒產物以大約650℃的高溫被傳送到混合室組件28。混合室組件連接在第一緊湊式換熱器11和渦輪壓縮機6之間。燃燒產物的能量足以初始起動渦輪壓縮機6的渦輪6b。隨著渦輪6b以及隨后壓縮機6a的初始旋轉，壓縮機6a通過空氣過濾器7吸取空氣并且通過空氣管道5將空氣傳送到主燃燒器14。由壓縮機6a吸入的空氣量足以在主燃燒器14中開始進行燃燒，渦輪壓縮機6的速度增加并且達到一個其運行是自身維持的穩定狀態。此時便完成了啟動過程，并且斷開向啟動燃燒器25的燃料供給。斷開外部空氣供給組件2并且關閉在抽吸口26處的調節器27。
本發明方法/裝置的詳細實驗驗證A)為了實際驗證本發明所要實現的幾個目的，建立了兩個相同熱輸出的裝置，其中的一個是基于現有技術，而另外一個是基于本發明。
通過對上述裝置所作的實驗研究，在相同條件下上述概念已得到了驗證。典型結構的結果如下表1現有的 新的火焰尺寸直徑D10.3D1長度L10.25L1燃燒室尺寸直徑D20.4D2長度L20.3L2傳熱表面積，m2A 0.3A總傳熱系數，kcal/hr.m2℃h 4h基于GCV的總熱效率，％ 83.5 84.5B)為了驗證/比較部件負載性能，進行進一步的實驗并且典型結構的結果如下表2實驗數據在％設計條件下的系統上的負載參數 現有的 新的1007501007550燃燒空氣壓力，kPa P1 P2P351P1 31P2 25P3換熱裝置的總流體阻力DP1DP2 DP3 14DP1 12DP2 7DP3(在新技術的情況下不包括渦輪)，kPa用于吹送燃燒空氣的電能消 P 0.9P 0.8P 無無 無耗，KW通過渦輪的焓降，KJ/S NANA NAW0.57W 0.43W通過壓縮機的焓升高，KJ/S NANA NAW0.57W 0.43W廢氣(干體積)中的O2，％ 4.4 5.1 6.3 2.0 3 3.4過量空氣，％ 25 30 4010 15.518NA-不適用表1和2中數據的比較和結論從關于火焰尺寸/形狀、傳熱表面積、燃燒空氣壓力等的所得數據和觀察來看，可得出這樣的結論，即已經從實踐上驗證了本發明所提出的權利要求，并且通過采用這種新概念，可成數量級地減小燃燒室尺寸/傳熱面積而無需采用外部電動燃燒空氣風扇。
這些僅僅是典型的結果，對于其它布置方式/結構/應用來說也可產生相似的改進效果。
本發明方法的詳細說明通常，用于例如蒸汽發生器、熱水發生器、熱流體發生器、空氣加熱器、不冷卻爐膛鍋爐、直燃式蒸汽吸收熱泵等應用的傳熱裝置采用輻射和對流傳熱。用在該系統中的燃燒裝置是一個產生相當大火焰的現有燃燒器。燃燒室設計成可容納由現有燃燒器產生的火焰。電動風扇用來供給通過燃燒器的燃燒空氣，并驅使燃燒產物通過燃燒室和對流傳熱表面。由于火焰尺寸帶來的局限，使得燃燒室的尺寸非常大。由于對風扇功率要求所造成的局限，對流傳熱表面和總傳熱裝置也非常大。現有燃燒器為完成燃料的燃燒，需要大約20-25％的過量空氣。由于傳熱系數相對而言較低，所以對于傳熱表面積的要求非常高。
通過一種相對于現有技術改進的方法，在給定的一組條件下本發明實現了單位面積上更多的熱量傳遞。
為了實現上述目的，通過提高燃燒產物在傳熱表面上的速度可提高對流傳熱。燃燒產物(廢氣)的速度提高到了50至200m/sec，而現有系統中的速度與之相比要低得多。燃燒空氣壓力被增大以克服傳熱裝置中所形成的流體阻力，并且也實現了火焰尺寸的減小。
這導致了傳熱面積的減小，并因此減小了傳熱裝置例如蒸汽發生器、熱水發生器、熱流體發生器、空氣加熱器、不冷卻爐膛鍋爐、直燃式蒸汽吸收熱泵等的尺寸。
使用較高廢氣速度使熱流/傳熱系數增加了幾倍。這便大大減小了傳熱面積，且因此可將傳熱裝置的尺寸減小幾倍。
與現有的輻射和對流傳熱裝置相比，廢氣速度的提高也大大增加了廢氣通路中的流體阻力。為克服這種阻力，就需要壓力相當高的空氣。這便適合于在該廢氣通路中采用一個渦輪增壓器/渦輪壓縮機。高壓空氣也大大提高了燃料的燃燒性能。渦輪增壓器/渦輪壓縮機的使用也排除了對電動風扇的需要，而在現有傳熱裝置中，該電動風扇卻是一個必須的組件。
在渦輪增壓器/渦輪壓縮機中，渦輪利用廢氣的能量來驅動安裝在同一軸上的壓縮機。將向渦輪增壓器/渦輪壓縮機的渦輪提供動能的廢氣的總焓損失看作是由渦輪增壓器/渦輪壓縮機的壓縮機產生的壓縮空氣的焓升高，該壓縮空氣又作為燃燒空氣傳送到該系統。因此沒有能量流失到系統外部。在渦輪增壓器/渦輪壓縮機的渦輪出口處從廢氣進一步回收熱量，從而將廢氣溫度降低到可與任何現有的傳熱裝置相比的水平。
為了實現使熱裝置結構緊湊的目的，有必要開發一種新型燃燒器系統，該系統可接受高壓燃燒空氣并大大減小火焰的尺寸。為實現這些目的而設計了一種新型燃燒器系統。
為了實現上述裝置的啟動，采用了一種新型的迄今為止是未知的機構。該系統中使用的渦輪增壓器/渦輪壓縮機通過外部空氣源被初始啟動，時間不到60秒。在這段時間中，渦輪增壓器/渦輪壓縮機的運行變成可自身維持的并去除該外部空氣源。
公開在前面的敘述、權利要求書和/或附圖中的特征可以單獨地或結合起來作為以不同形式實現本發明的方案。
權利要求
1．一種從燃料的燃燒產物(廢氣)中回收熱量的方法，該燃料燃燒產物的溫度高于相當低溫度的另一流體的溫度，該方法包括以下步驟(ⅰ)通過在燃燒階段中向燃料供給由渦輪增壓器/渦輪壓縮機增能的壓縮空氣，增加由燃料燃燒產生的熱廢氣的速度，該速度是現有技術的速度的幾倍；(ⅱ)使得燃料和高壓空氣一起在外殼中進行燃燒；(ⅲ)調節燃料燃燒速度與空氣質量/壓力之間的比例，從而獲得穩定的燃燒條件；(ⅳ)在所述燃燒外殼中產生和保持穩定的火焰尺寸(長度和直徑)，該火焰尺寸遠遠小于現有技術能的火焰尺寸；(ⅴ)回收并間接地將一小部分燃燒熱量傳遞給相對較冷的外部流體，該外部流體保持環繞著所述燃燒外殼；(ⅵ)使燃燒產物經過第一換熱器；(ⅶ)主要通過所述第一換熱器中的對流傳熱來回收和間接地將燃燒產物的大部分熱量傳遞給外部流體，該外部流體可以與環繞該燃燒器外殼的所述流體相同，也可以是完全不同的流體；(ⅷ)使從所述第一換熱器中出來并消耗了部分熱量的廢氣通過渦輪增壓器/渦輪壓縮機的渦輪，并將廢氣的部分熱能轉換成渦輪增壓器/渦輪壓縮機的渦輪中的機械能，該機械能又用于在渦輪增壓器/渦輪壓縮機的壓縮機中將新鮮空氣壓縮成高壓，該壓縮機與渦輪壓縮機的渦輪裝在同一軸上，高壓新鮮空氣在特定應用中將作為燃燒器中的燃燒空氣，經過渦輪的廢氣再流過第二換熱器；(ⅸ)在第二換熱器中，回收和間接地將其余的熱量從所述消耗了部分熱量的廢氣中傳遞給外部流體，該外部流體可以與環繞燃燒器外殼和第一換熱器的流體相同，也可以是完全不同的流體；(ⅹ)還是通過對流傳熱由所述第二換熱器回收幾乎全部剩余的熱量；最后(ⅹⅰ)使得消耗了全部熱量的廢氣通過排氣口/煙囪排出。
2．根據權利要求1所述的方法，其特征在于渦輪壓縮空氣的壓力是從0.3至3巴，傳熱區的廢氣速度在50-2000m/sec之間，供給的壓縮空氣與燃燒階段的燃料之間的比例優選在15.5∶1至19∶1的范圍內。
3．根據權利要求2所述的方法，其特征在于燃料可以選自于但并不局限制于HSD/LDO/FO/LSHS等，或者是氣體燃料如LPG/天然氣等，并且通過引火氣體噴嘴被點火，該引火氣體噴嘴通過點火變壓器的點火電火花被點火。
4．根據權利要求3所述的方法，其特征在于空氣在所述燃燒外殼中在不同階段供給到燃燒火焰。
5．一個在輻射區和兩級對流區中從燃料燃燒產物(廢氣)傳遞和回收熱量的系統，包括一個燃料燃燒器組件，該燃燒器組件可操作地連接到上游的渦輪增壓器/渦輪壓縮機，所述渦輪增壓器/渦輪壓縮機設置有一啟動機構，所述燃料燃燒器組件可操作地連接到下游的傳熱和熱量回收系統，該傳熱和熱量回收系統包括一個或多個，優選地是有兩個對流換熱型的換熱器和一個排出消耗的廢氣的排氣口或煙囪，所述啟動裝置包括一個空氣噴射器組件、外部空氣供給管道、一個外部燃料供給源、一個液體/氣體燃料燃燒器和一個混合室組件，該混合室組件可操作地使所述啟動裝置連接到所述渦輪增壓器/渦輪壓縮機上和所述熱量回收系統上，所述燃料燃燒器組件包括一個引燃噴嘴、一個點火源如點火變壓器、一個渦輪壓縮空氣進入管、一個主殼體和一個輔助殼體，該主殼體容納有燃燒器桿和噴嘴組件，該輔助殼體由燃燒室構成，并具有上游的輔助空氣混合組件和空氣擴散器組件。
6．根據權利要求5所述的系統，其特征在于所述兩個對流換熱器和所述燃燒室結合在一起，并有在相同外殼內的共用流體或如本文所述在不同外殼內的不同流體，以便通過對流換熱器來吸收熱量。
7．根據權利要求5和6所述的系統，其特征在于該系統并不局限于蒸汽發生器、熱水發生器、熱流體加熱器、空氣加熱器、不冷卻爐膛鍋爐、直燃式蒸汽吸收熱泵或類似裝置或者它們的組合，該系統包括了各種傳熱表面的結構，也包括但不限于煙道管結構。
8．根據權利要求5至7所述的系統，其特征在于燃燒器組件的殼體在合適位置設置有一個火焰檢測裝置和一個觀察孔。
9．根據權利要求5至8所述的系統，其特征在于所述輔助殼體有一前緣擴散部分，所述部分有多個輔助空氣供給口或噴嘴，輔助空氣供給口或噴嘴適用于相對火焰橫向軸線成合適角度噴射輔助空氣。
10．一個用于通過本文所述方法從燃料的燃燒產物(廢氣)中傳遞和回收熱量的系統中的啟動裝置，包括一個空氣供給組件如噴射器、外部空氣供給管道、一個外部燃料供給源、一個啟動燃燒器和一個混合室組件，該混合室組件可操作地使所述啟動裝置連接到所述渦輪增壓器/渦輪壓縮機和所述熱量回收系統上。
11．一個用于通過本文所述方法從燃料的燃燒產物(廢氣)中傳遞和回收熱量的系統中的燃燒器組件，包括一個引燃噴嘴、一個點火源如點火變壓器、一個渦輪壓縮空氣進入管、一個主殼體和一個輔助殼體，該主殼體容納有燃燒器桿和噴嘴組件，該輔助殼體包括上游的輔助空氣混合組件和空氣擴散器組件。
12．根據權利要求11所述的燃燒器組件，其特征在于燃燒器組件的殼體在合適位置設置有一個火焰檢測裝置和一個觀察孔。
13．根據權利要求11和12所述的一個燃燒器組件，其特征在于所述輔助殼體有一前緣擴散部分，該部分有多個輔助空氣供給口或噴嘴，輔助空氣供給口或噴嘴適用于相對火焰橫向軸線成合適角度噴射輔助空氣。
14．一種如本文所述的從燃料的燃燒產物(廢氣)傳遞和回收熱量的方法。
15．一個參照附圖的圖C如本文所述的用于從燃料的燃燒產物(廢氣)傳遞和回收熱量的系統中的啟動裝置。
16．一個參照附圖的圖B如本文所述的用于從燃料的燃燒產物(廢氣)傳遞和回收熱量的系統中的燃燒器組件。
17．一個參照附圖的圖A如本文所述的用于從燃料的燃燒產物(廢氣)傳遞和回收熱量的系統。
全文摘要
從燃料的燃燒產物回收熱量的方法包括:(i)通過在燃燒階段向燃料供給由渦輪增壓器/渦輪壓縮機(6)增能的壓縮空氣增加熱廢氣的速度(ii)使得燃料和高壓空氣一起在燃燒器(14)的外殼(8)中燃燒;(iii)調節燃料燃燒速度與空氣質量/壓力之間的比例;(iv)產生和保持小的穩定火焰;(v)間接地將一小部分燃燒熱量傳遞給環繞燃燒外殼的相對較冷的外部流體(15);(vi)使燃燒產物經過第一換熱器(11);(vii)通過第一換熱器中的對流間接地將熱量傳遞給外部流體:(viii)使從第一換熱器中出來并消耗部分熱量的廢氣通過渦輪增壓器/渦輪壓縮機(6)的渦輪(6b);(ix)在第二換熱器(12)中間接地將其余熱量從消耗了部分熱量的廢氣中傳遞給外部流體(15)。
文檔編號F01K23/10GK1298479SQ99805469
公開日2001年6月6日 申請日期1999年3月1日 優先權日1998年8月11日
發明者納恩達拉·達塔特拉亞·喬希, 迪利普·瓦曼·巴帕特, 阿爾藤·卡爾莫·洛博, 薩爾米·瓦蘇德奧·庫爾卡尼, 查爾斯·菲洛米拉加 申請人:塞穆克斯有限公司