褐色氣體燃燒裝置以及使用此裝置的加熱系統的製作方法
2023-04-23 14:02:01 2
專利名稱：褐色氣體燃燒裝置以及使用此裝置的加熱系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用褐色氣體(brown gas)特性的燃燒裝置以及使用此燃燒裝置的加熱系統，更具體地，涉及燃燒裝置和加熱系統，其中使用褐色氣體作為清潔燃料，而不是傳統的化石燃料。
背景技術：
褐色氣體，在整個說明書中，是指一種混合氣體，其中按下面化學式1表示的水電解產生的氫氣和氧氣按照2∶1的混合比例混合，如H2和O。由於褐色氣體中氫氣和氧氣的化學當量比為2∶1，滿足最佳的燃燒條件，如同下面化學式2表示的，避免了傳統燃燒系統中必須採用額外的空氣供應設備以及煙囪或煙道。 ……………化學式1 ……………化學式2燃燒化石燃料的典型燃燒室需要大量的空氣用於燃燒，如下面的化學式3、4和5所示，燃燒產生的廢氣CO2必須通過煙囪排出。一般地，燃燒過程中，約60％或更多的總能量供應在沒有被利用的情況下損失了。 ……………化學式3 ……………化學式4 ……………化學式5自從1833年出現水電解的法拉弟理論，水電解還沒有明顯的進步。也就是，沒有人成功地將水電解得到的氣體開發成商用的燃料，用於鍋爐、加熱器或加熱爐。
這種狀況的主要原因是，雖然在本技術領域內公知的是，電解是用水生產氫氣的一個值得關注的過程，但忽略了褐色氣體獨有的內爆特性或熱核反應特性。
另外，作為電解技術的核心，電解室的發展不能令人滿意，其中的問題是當電解室連續工作時水從水炬尖端(torch tip)洩露。從而不可以使用水電解得到的氣體作為燃料。
褐色氣體的優點是可以得到高的能量效率，因為作為燃料用於加熱系統的褐色氣體不需要空氣通風。而且，可以得到合適溼度的舒適環境，因為褐色氣體在燃燒後變成蒸汽狀態。
但是，傳統技術沒有找出一個適當的方法燃燒褐色氣體，因為其熱效率非常低，從而阻礙了褐色氣體用作燃料。
造成這種狀況的原因是褐色氣體產生反閃(flash-back)或回火(back-fire)現象的可能性很高，因為其燃燒速度非常高。不漏水的熄火器(water-tightflame arrester)可以阻止這種現象，但是，由於每當出現反閃或回火時燃燒器的火焰熄滅，因此需要根本解決這種現象。
另外，在傳統的方法和系統中，當通過水電解得到的氫氣與空氣一起燃燒時，難以獲得足夠的熱量。
褐色氣體的燃燒特性解釋如下(1)完全無汙染特性褐色氣體不產生任何的汙染物，因為它是用水生產的並在燃燒後變成蒸汽狀態。
(2)完全燃燒特性褐色氣體本身含有完全燃燒所需的恰當數量的氧氣，因為它是氫氣和氧氣按混合比2∶1形成的混合物。
(3)內爆特性這是褐色氣體的一個特性，下面將參考圖1進行解釋。褐色氣體發生器(BGG)可以從1升水中生成約1860升褐色氣體，如下面的化學式6所示。相反，如圖1中的曲線「a」所示，當1860升褐色氣體在密閉的壓力容器中被火星點燃時，一旦達到爆炸持續時間(ΔT)，即最大壓力0.5MPa持續44微秒(μs)，就出現壓力下降(這裡，MPa是壓力單位)，在上述壓力下降時出現低壓內爆，從而形成體積減小1/1860的真空狀態。換言之，生成1升水，其餘空間變成真空狀態，如下面的化學式7所示。這可以稱為「內爆」，如化學式9所示，這與化學式8以及圖1中的曲線「b」所示的「爆炸」完全不同，圖1的曲線「b」表示在壓力容器中普通氣體爆炸時引起的壓力變化，如圖1所示。 ………化學式6 ………化學式7 ……………化學式8 ……………化學式9在褐色氣體燃燒過程中保持的火焰表示內爆的持續過程。因此，此過程保持的火焰一般形成銷釘尖端火焰(pin-point flame)，其中火焰的長度達到約400mm。
(4)熱核反應褐色氣體是一種混合氣體，其中水分解成原子態的氫和氧，而不是分子態，並且氫和氧按混合比例2∶1混合。
褐色氣體燃燒過程中保持的火焰加熱具有獨特的性能，即原子態或分子態的氫和氧之間發生反應。原子態的氫和氧穿透到被加熱物質的原子核。結果，通過氫和氧熱核反應加熱的物質受到的火焰加熱溫度高於氫氣單獨燃燒達到的溫度。例如，褐色氣體在700℃下穩定地熔化鋁，甚至對於鎢，褐色氣體可以在6000℃的加熱下將目標物質蒸發。由於褐色氣體對於每種加熱的物質具有不同的熱核反應特性，因此甚至可以熔化和焊接塊狀的鐵。
圖2表示水的紅外吸收率，其中吸收率峰值為3μm的中紅外輻射通帶，以及較高的6-11μm的遠紅外輻射通帶。
即，當水分子與3μm通帶的紅外線碰撞時幾乎徹底地吸收了紅外線。這裡，水分子受到激發，從而促進了分子碰撞，並放射出大量的能量用於加熱。
如圖3所示，利用褐色氣體循環燃燒的燃燒裝置用於產生大量的能量，其過程是通過如下的循環實現的高溫水分子被增強到超高溫水分子，電離成H和O，重新結合，以及在具有褐色氣體獨特的燃燒特性的半密閉燃燒室(2)內原子態的氫和氧燃燒過程持續產生高溫水分子時出現的自加熱現象，吸收紅外線。
發明內容
因此，本發明的目的是提供褐色氣體燃燒裝置，其中褐色氣體在具有褐色氣體特性的半密閉燃燒室中燃燒，從而減少能量消耗，不造成環境汙染。
本發明的另一個目的是提供一種改進的加熱系統，利用褐色氣體燃燒裝置，防止環境惡化以及資源的浪費。
為了達到本發明的上述目的，褐色氣體燃燒裝置的特徵在於，半密閉的循環燃燒室，沒有空氣入口和煙囪，循環燃燒室的內部具有輻射大量紅外線的材料，被褐色氣體燃燒火焰直接加熱的加熱單元豎直安裝。由於褐色氣體的燃燒特性，加熱單元在赤熱狀態下發熱，其整體可以加熱到1200℃或更高溫度。褐色氣體燃燒產生的蒸汽變成高溫水分子，穿過赤熱加熱單元的內部。
重複這一過程，即赤熱加熱單元輻射紅外線，高溫水分子在穿過加熱單元時通過吸收紅外線溫度升高到超高溫水平，電離成H和O，重新結合，從而產生大量熱量輻射到循環燃燒室。
從下面優選實施方式的描述，並參考附圖，可以更清楚本發明的其它特徵和優點。在附圖中圖1是表示褐色氣體燃燒的內爆特性的曲線；圖2是表示水分子紅外線吸收率的曲線；圖3是表示密閉燃燒室內褐色氣體燃燒特性的示意圖；
圖4是表示本發明一種實施方式的燃燒裝置的示意圖；圖5a和5b是表示本發明另一種實施方式的加熱單元的分解透視圖和剖視圖；圖6a和6b是表示本發明又一種實施方式的加熱單元的分解透視圖和剖視圖；圖6c是沿圖6b中線A-A的剖視圖；圖7是表示本發明一種實施方式的加熱系統的剖視圖；圖8是表示本發明實施方式的加熱系統窺視孔管的部分剖視圖；圖9是表示本發明實施方式的加熱系統的螺旋水管的透視圖。
具體實施例方式
下面參考附圖詳細解釋本發明。在整個說明書中，相同的元件具有相同的參考數字，因此省略其重複描述。
參看圖4，為了解決上述問題，根據本發明實施方式的褐色氣體燃燒裝置，包括不漏水的熄火器13，通過氣體浸水管(gas immersion tube)14與褐色氣體發生器11相通，氣體浸水管14上具有開/關閥12，允許少量的己烷(C6H14)以蒸汽狀態與褐色氣體發生器11產生的褐色氣體混合；燃燒器18，通過氣體供應管15與不漏水的熄火器相通，氣體供應管15具有開/關閥16，燃燒器18燃燒從不漏水的熄火器流過的褐色氣體；以及被燃燒器的火焰加熱的加熱單元19。
由褐色氣體發生器11產生的褐色氣體在開/關閥12的控制下通過氣體浸水管14流入不漏水的熄火器13。褐色氣體接著流過作為防止回火液體的己烷液體，在氣體供應管15上的開/關閥16控制下供應到燃燒器18並在燃燒器18中燃燒，從而加熱褐色氣體加熱單元19。
由褐色氣體發生器11產生的褐色氣體流入裝有碳氫化合物己烷(C6H14)的不漏水的熄火器13，在褐色氣體中混入少量的己烷氣體，從而減慢燃燒速度。這可以根本地防止閃火或回火。
不漏水的熄火器的原理是防止逆行火焰通過己烷液體。在燃燒諸如LPG或LNG的現有氣體的傳統系統中，爆炸產生的較大的瞬間壓力對防止回火的液體造成衝擊，使其不可能採用不漏水的熄火系統。與上述傳統系統不同，褐色氣體的燃燒由於內爆特性形成瞬時真空狀態，對褐色氣體的流動以及防止回火的液體的影響很小。
另外，褐色氣體燃燒過程中的己烷燃燒用於補充熱量，從而提高熱效率。但是，由於組成褐色氣體的氧氣通過自燃燒而消耗，因此由於缺少用於燃燒以蒸汽狀態混合的己烷的氧氣，一部分褐色氣體燃燒器沒有燃燒。為了解決這個問題，本發明允許加熱單元垂直地豎立安裝，從而空氣可以平穩地從較低部分進入，並流向加熱單元的較高部分，因此使己烷得到徹底燃燒。
如圖5a和5b所示，根據本發明另一種實施方式的褐色氣體燃燒裝置的加熱單元19包括中空的圓柱形第二加熱元件22，在其外圓周上具有多個輻射孔22a，並且第二加熱元件22安裝在基板29上；圍繞第二加熱元件22外圓周的纖維增強金屬(FRM)23；第一加熱元件21，安裝在第二加熱元件內，從而通過第一加熱元件下端的倒置的錐形加熱部分21a，使第一加熱元件與第二加熱元件的底表面間隔開；以及位於第一加熱元件21和第二加熱元件22頂部的蓋24。
燃燒器裝在基板中央部分的燃燒器孔28a上，並具有點火裝置28c。
第二加熱元件通過支撐元件29a牢固地連接在基板29上。
這種結構的燃燒裝置的特點在於，第一加熱元件下端的加熱部分21a直接被含有少量蒸汽狀態己烷的褐色氣體火焰28b加熱，第一加熱元件的上部以及加熱部分21a在褐色氣體熱核反應特性的作用下赤熱發熱，從而輻射高溫熱量。
這裡，由於熱釋放被第一和第二加熱元件上部的蓋24阻擋，因此第一加熱元件21輻射的熱量用於加熱第二加熱元件。同時，褐色氣體燃燒產生的高溫蒸汽穿過圍繞在第二加熱元件22外圍的纖維增強金屬23，通過第二加熱元件上以規則間距形成的輻射孔22a，從加熱單元19向外散發。通過此過程，纖維增強金屬23相應地赤熱發熱。結果，本發明褐色氣體燃燒裝置的加熱單元19整體赤熱發熱，釋放出大量熱量。
其詳細解釋如下由於褐色氣體的火焰本身保持內爆，熱量集中在一個點上，穩定地形成銷釘尖端火焰，火焰不發散，從而不產生橫向熱量。
這樣，採用熱核反應，使加熱元件直接被褐色氣體火焰加熱，從而產生大量熱量。
作為構成加熱單元的材料，可以使用鎳鉻合金、鋁鉻合金或氧化鋁陶瓷，其耐熱可以達到1300℃或更高溫度。
如圖6a、6b和6c所示，根據本發明另一種實施方式，褐色氣體燃燒裝置的加熱單元19包括中空的圓柱形第二加熱元件35，在其外圓周上具有多個上孔36a和36b以及下孔36c，第二加熱元件35安裝在基板29上；第一加熱元件31，具有矩形的插入部分33以及從插入部分33的上外圓周向外突出的圓形突起32；矩形插入部分33和圓形突起32形成一個整體；第一加熱元件31具有多個側火焰引導槽34b，從插入部分33朝向圓形突起33下部的側面，並具有沿垂直方向穿孔的中心火焰引導孔34a；圓形突起32裝在第二加熱元件35上，與第二加熱元件35的底面之間具有預定的間距。
當供給燃燒器18的褐色氣體由點火裝置28c點燃時，形成的火焰28a拉長。加熱第一加熱元件31的火焰28a沿中心火焰引導孔34a和側火焰引導槽34b向上流動。第一加熱元件31被加熱時，第一加熱元件31的下端首先赤熱發熱，隨後第二加熱元件35赤熱發熱，這樣加熱單元19整體被加熱到1200℃或更高溫度。這裡，蒸汽經過中心火焰引導孔34a和側火焰引導槽34b時變成高溫的水分子，再吸收紅外線升高到超高溫，再散射出去。
第二加熱元件35的上孔36a和36b射出火焰，而下孔36c吸入空氣。
作為構成加熱單元的材料，可以使用壓制和成形的高鋁質陶瓷。
參看圖7，根據本發明實施方式的加熱系統包括褐色氣體發生器11，加熱單元19，循環燃燒室40和鍋爐體50。褐色氣體發生器11產生的褐色氣體沿氣體供應管15流入不漏水的熄火器13，並按預定的混合比與己烷氣體混合。
接著，混合氣體輸送到氣體燃燒器18。氣體供應管15具有用於控制氣體數量的氣體供應控制閥16，以及自動供應或切斷氣體的電磁閥17。
通過點火裝置28，加熱系統自動點燃或關閉。
加熱系統包括不漏水的熄火器13，通過氣體浸水管14與褐色氣體發生器11相通，氣體浸水管14具有開/關閥12，不漏水的熄火器13允許少量的蒸汽狀態的己烷(C6H14)與褐色氣體發生器11產生的褐色氣體混合；燃燒器18，通過氣體供應管15與不漏水的熄火器相通，氣體供應管15具有開/關閥16，燃燒器18燃燒流過不漏水的熄火器的褐色氣體；被燃燒器火焰加熱的加熱單元19；循環燃燒室40，由遠紅外輻射元件41形成，並圍繞著加熱單元19，二者之間隔開預定的間距；螺旋地包圍著循環燃燒室40外圓周的水管51；儲熱罐52，包圍著水管51的外圓周圍，二者之間具有空氣流動通道42，並且其上部分與排氣管46相通；以及圍繞儲熱罐52的絕熱元件53。
加熱單元19由參考圖5a、5b、6a和6b所討論的第一加熱元件21和31以及第二加熱元件22和35組成。
圖8是表示與本發明加熱系統循環燃燒室40上部分相通的窺視孔管43的詳細剖視圖。窺視孔管43安裝在鍋爐體50上，與循環燃燒室40的上部分相通並穿過遠紅外輻射元件41和儲熱罐52。窺視孔管43可用作排氣管，防止循環燃燒室40內部和空氣流動通道42內部在加熱系統工作的早期階段結露。位於排氣管末端的蓋44由耐熱玻璃45製成，從而使窺視孔管作為觀察裝置，用於監視循環燃燒室40的內部。
生產熱水的鍋爐體50安裝在中空的基板29上，並具有水管51，從而形成吸收熱量的大面積傳熱表面。水管51位於遠紅外輻射元件41的外側，包圍遠紅外輻射元件41的儲熱罐52由絕熱元件53隔熱，從而儲存熱水。
在這種結構中，在儲熱罐52和遠紅外輻射元件41之間自然地形成空間。這樣形成的空間作為空氣流動通道42，通過循環燃燒室40內形成的高溫空氣流的穩定循環，將熱量供應到水管51和儲熱罐52的內表面。
由於遠紅外輻射元件41向內側輻射遠紅外線，即向循環燃燒室40輻射遠紅外線；也向外輻射遠紅外線，即向空氣流動通道42輻射遠紅外線，因此水管51通過循環燃燒室40形成的空氣流動交換熱量，並通過遠紅外線進行加熱，這樣達到雙重加熱效果。
循環燃燒室40中形成的空氣流穿過空氣流動通道42並向上流動，從而加熱水管。隨後，低溫的空氣流逐漸從排氣管46中排出。
圖9是表示本發明加熱系統水管51的透視圖。本發明的加熱系統在遠紅外輻射元件41或燃燒室40的頂部具有最高的溫度。因此，本發明加熱系統的水管51形成線圈的形狀，水管51的末端51a足以覆蓋其自身的圓柱形頂部。這種結構具有最大的熱交換效率。
儘管很多材料可以作為遠紅外輻射元件41的材料，但考慮到遠紅外輻射元件的體積以及加熱系統，優選地使用等離子噴塗的薄鐵板。
另外，本發明的褐色氣體鍋爐具有儲熱罐52，以便利用午夜的電能服務。也可以設計鍋爐具有足夠數量的內部噴水，具有控制熱水溫度的自動控制器，將熱水溫度保持在40℃到90℃。這種結構當加熱系統工作在40℃或更高溫度時防止燃燒室內部以及空氣流動通道42的內部結露。
儲存在儲熱罐52中的熱水分別沿加熱管和熱水管供給。使用循環泵，以便沿管線穩定地提供熱水，並且熱水通過三通閥供給加熱線圈，從而執行室內範圍加熱功能。另外，根據裝在鍋爐體上的給水罐水位傳感器的檢測結果，控制器控制熱的補充。
這種功能與普通的加熱系統相同，這裡省略其詳細描述。水管51的入口和出口部分也省略了。
如上所述，使用水電解得到的褐色氣體的褐色氣體燃燒裝置以及使用褐色氣體燃燒裝置的加熱系統，用於實現利用水作為燃料的理想系統和方法。
本發明的燃燒裝置是一項關鍵技術，可以用於所有使用褐色氣體作為燃料的設備。使用這種燃燒裝置作為褐色氣體鍋爐、加熱器、爐子以及熱風加熱器的熱源，可以獲得無汙染的清潔能量，同時防止環境汙染。
雖然以實施方式的形式用多個實例圖解和描述了採用本發明燃燒裝置的加熱系統，但應該理解的是，在不偏離本發明範圍的條件下，燃燒裝置可以應用於垃圾焚化爐，從而高效地處理垃圾。
儘管參考附圖描述了本發明的優選實施方式，但應該理解的是，本發明並不限制於這些精確的實施方式，在不偏離所附權利要求限定的本發明精神和範圍的條件下，本領域的一般技術人員能做出不同的變化和修改。
權利要求
1.一種使用褐色氣體作為燃料的褐色氣體燃燒裝置，包括不漏水的熄火器，通過氣體浸水管與褐色氣體發生器相通，所述氣體浸水管具有開/關閥，所述不漏水的熄火器允許少量蒸汽狀態的己烷(C6H14)與所述褐色氣體發生器產生的褐色氣體混合；燃燒器，通過氣體供應管與所述不漏水的熄火器相通，所述氣體供應管具有開/關閥，所述燃燒器燃燒流過所述不漏水的熄火器的褐色氣體；以及被所述燃燒器的火焰加熱的加熱單元。
2.如權利要求1所述的褐色氣體燃燒裝置，其中所述加熱單元包括中空的圓柱形第二加熱元件，在其外圓周具有多個輻射孔，所述第二加熱元件安裝在基板上；包圍所述第二加熱元件外圍的纖維增強金屬(FRM)；第一加熱元件，安裝在所述第二加熱元件內部，從而通過所述第一加熱元件下端的倒置圓錐形加熱部分，所述第一加熱元件與所述第二加熱元件的底面間隔開；以及位於所述第一加熱元件和第二加熱元件頂部的蓋。
3.如權利要求1所述的褐色氣體燃燒裝置，其中所述加熱單元包括中空的圓柱形第二加熱元件，在其外圓周具有多個上孔和下孔，所述第二加熱元件安裝在所述基板上；以及第一加熱元件，具有矩形插入部分以及從所述插入部分的上部外圓周向外突出的圓形突起；所述矩形插入部分和所述圓形突起整體形成；所述第一加熱元件具有多個從所述插入部分朝向所述圓形突起下部分的側面形成的側火焰引導槽和沿垂直方向穿孔的中心火焰引導孔；所述圓形突起安裝到所述第二加熱元件上，與所述第二加熱元件的底面間隔預定的距離。
4.一種使用褐色氣體作為燃料的加熱系統，包括不漏水的熄火器，其通過氣體浸水管與褐色氣體發生器相通，所述氣體浸水管具有開/關閥，所述不漏水的熄火器允許少量蒸汽狀態的己烷(C6H14)與所述褐色氣體發生器產生的褐色氣體混合；燃燒器，其通過氣體供應管與所述不漏水的熄火器相通，所述氣體供應管具有開/關閥，所述燃燒器燃燒流過所述不漏水的熄火器的褐色氣體；被所述燃燒器火焰加熱的加熱單元；循環燃燒室，由包圍所述加熱單元的遠紅外輻射元件形成，所述加熱單元與所述遠紅外輻射元件之間具有預定的間距；螺旋地包圍所述循環燃燒室外圓周的水管；包圍所述水管外圍的儲熱罐，所述水管與所述儲熱罐之間形成空氣流動通道，所述儲熱罐的上部分與排氣管相通；以及包圍所述儲熱罐的絕熱元件。
5.如權利要求4所述的加熱系統，其中所述循環燃燒室在其頂部具有窺視孔管與其相通，用於觀察所述循環燃燒室的內部，並通過打開蓋防止所述加熱系統工作的早期階段結露。
6.如權利要求4或5中任一項所述的加熱系統，其中所述加熱單元包括中空的圓柱形第二加熱元件，在其外圓周具有多個輻射孔，所述第二加熱元件安裝在基板上；包圍所述第二加熱元件外圍的纖維增強金屬(FRM)；第一加熱元件，安裝在所述第二加熱元件內部，從而通過所述第一加熱元件下端的倒置圓錐形加熱部分，所述第一加熱元件與所述第二加熱元件的底面間隔開；以及位於所述第一加熱元件和第二加熱元件頂部的蓋。
7.如權利要求4或5中任一項所述的加熱系統，其中所述加熱單元包括中空的圓柱形第二加熱元件，在其外圓周具有多個上孔和下孔，所述第二加熱元件安裝在所述基板上；以及第一加熱元件，具有矩形插入部分以及從所述插入部分的上部外圓周向外突出的圓形突起；所述矩形插入部分和所述圓形突起整體形成；所述第一加熱元件具有多個從所述插入部分朝向所述圓形突起下部分的側面形成的側火焰引導槽和沿垂直方向穿孔的中心火焰引導孔；所述圓形突起安裝到所述第二加熱元件上，與所述第一加熱元件間隔預定的距離。
全文摘要
本發明提供一種褐色氣體燃燒裝置以及使用這種裝置的加熱系統，其中褐色氣體發生器產生的褐色氣體流入裝有碳氫化合物體系的己烷(C
文檔編號F24H1/43GK1483128SQ01816322
公開日2004年3月17日 申請日期2001年2月21日 優先權日2000年9月28日
發明者金相南 申請人:金相南