用于加热器和燃烧器的自清洁燃烧器系统

摘要

当燃烧器起动时一种自清洁燃烧器系统包含自动清洁循环。循环可以被编程以用于每天一次清洁循环或以其他预期时间间隔清洁循环。在起动时，循环将少量燃料传递到燃烧器中供燃烧器内部点火以清洁燃烧器表面。该系统包含用于快速、常规和安全点火燃料的点火器。因此，当燃烧器起动时累积在表面燃烧器上的少量残余物被自动点火，从而保持燃烧器清洁和始终在高效率状态下工作。自清洁燃烧器系统可以包含到煎锅或其他加热设备中以进行可靠、高效的操作。

说明书

技术领域

本发明的技术领域是燃烧器和使用燃烧器的设备，例如加热器、火炉、煎锅和烘箱和用于加热物体的其他容器。

背景技术

燃烧器在各种各样的应用中用于加热水、住宅取暖、烹饪食物、以及以更一般的方式产生和使用热。各种各样的燃烧器用于日常生活中，包括但不限于热水器、火炉、烤箱、空间加热器、加工加热器、热油或其他煎锅，等等。所有燃烧器共有的一个问题是残余物往往累积在燃烧器和相关部件的表面上。

在变得很热的燃烧器的区域(例如燃烧室)中通常很少有累积。另外有许多自身并不变得很热的燃烧器，例如将燃料和空气组合成燃料/空气混合物仅供在燃烧器外部燃烧的文丘里燃烧器。然而，例如那些供应燃料和氧气的周围部件易于累积有害沉淀物。在美国燃气协会(AGA)实验室所出版的标题为“最小化常压气体燃烧器端口的尘埃阻塞”的论文中描述了该问题。提出的解决方案包括过滤输入空气和在足够高的温度下操作燃烧器使得燃烧器入口端口的尘埃积聚侧保持足够热以当输入尘埃撞击端口时焚化它。参见AGA报告第9-10页。

例如，在使用天然气(主要是甲烷)的典型的常压文丘里型燃烧器中，给定体积的燃料会需要十倍体积那样多的空气进行适当燃烧。这意味着很大体积的未过滤空气会通过文丘里燃烧器或其他燃烧器，并且意味着空气中的许多杂质会有机会积聚污垢、尘埃或其他有害残余物。

典型的常压燃烧器，甚至许多强制通风燃烧器并不使用过滤的空气。所以，很大体积的空气将通过燃烧器并且会包括许多杂质。例如，在家庭厨房中或在餐馆中，空气会包括很微量的尘埃、灰尘、颗粒、食物蒸汽、油蒸汽、油脂蒸汽等等。尽管这样的杂质的浓度小，但是它们在长时间的累积效应是巨大的。这些杂质会沉积在燃烧器的外表面和内表面上，例如入口管路、燃烧器的外部、文丘里燃烧器的内部等等。

警报所有者和操作者将认识到需要清洁这些表面以便保持燃料和空气或氧气的路径清洁。清洁燃烧器自然地倾向于以较高效率工作并且在将热量从燃烧器转移到正被加热的负荷或对象中更高效。如果燃烧器可以清洁自身，它将解除所有者和操作者为了清洁燃烧器必须停止加热操作。它也将帮助保证燃烧器在高效率状态下工作，并且将因此至少潜在地节省能量和能量费用。

发明内容

本发明的一个实施例是一种自清洁燃烧器系统。所述自清洁燃烧器系统包括：至少一个燃烧器，其中燃烧通常发生在燃烧器外部；用于连接到燃料源的第一阀；和靠近所述至少一个燃烧器具有至少一个燃料控制孔口的第一管，其中第一管连接到第一阀；点火源；和用于控制所述自清洁燃烧器系统的操作的控制器，其中所述控制器打开所述阀一段时间并且容许燃料进入第一管和所述孔口，以便通过所述点火源在燃烧器内部点火，从而清洁燃烧器。

另一实施例是一种自清洁燃烧器系统。所述自清洁燃烧器系统包括：至少一个燃烧器；靠近所述至少一个燃烧器的流槽管，所述流槽管进一步包括靠近所述至少一个燃烧器的每一个的至少一个孔口。所述系统还包括：用于连接到燃料源的阀，所述阀连接到所述流槽管；靠近所述流槽管的点火源；和用于控制所述自清洁燃烧器系统的操作的控制器，其中所述控制器打开所述阀一段短时间并且容许少量燃料进入所述流槽管，所述点火源点火燃料，并且靠近所述至少一个燃烧器的每一个的近端提供火焰以用于自清洁所述至少一个燃烧器的每一个。

另一实施例是一种使用自清洁燃烧器系统清洁燃烧器的方法，其中燃烧通常发生在燃烧器外部。所述方法包括以下步骤：靠近至少一个燃烧器提供少量燃料，使用点火源点火燃料，控制燃料的燃烧以清洁所述至少一个燃烧器的内部，和允许熄灭燃烧并允许冷却所述至少一个燃烧器。

另一实施例是一种使用自清洁燃烧器系统清洁燃烧器的方法，其中燃烧通常发生在燃烧器外部。所述方法包括以下步骤：靠近至少一个燃烧器提供少量气体，通过在一段短时间限制气体的流量控制所述量，和靠近所述至少一个燃烧器提供氧气和点火源。所述方法还包括以下步骤：控制气体的点火使得气体主要在燃烧器内部燃烧，从而清洁燃烧器，允许熄灭燃烧，以及在所述至少一个燃烧器的进一步使用之前允许冷却所述至少一个燃烧器。

附图说明

图1是一种自清洁燃烧器系统的一个实施例的分解图；

图2是第二实施例的示意图；

图3是可用在燃烧器中的面板的平面图；

图4是可用在燃烧器中的垫圈的平面图；

图5是可用在本发明的实施例中的燃烧器的一个实施例的侧视图；

图6-7是一个实施例的平面图和横截面图；和

图8-9是使用自清洁燃烧器系统的方法的流程图。

具体实施方式

本发明有许多实施例，这些实施例高效且容易地用于构造自清洁燃烧器和将现有燃烧器调整为自清洁燃烧器。图1是一个实施例的分解图。图1的自清洁燃烧器系统10包括至少一个燃烧器11，该燃烧器适合燃烧气态燃料，例如天然气(主要是甲烷)和LP气体。这样一种燃烧器的一个例子是由新罕布什尔州康科德市的Pitco Frialator公司制造的部件号为B8041901的燃烧器。该燃烧器具有近端11a、远端11b和用于定位来自燃料或气体源的喷嘴或孔口的接头11c。近端宽，并且向具有圆形、卵形或倒圆的矩形的一般形状的横截面快速变窄。近端11a是燃料或气体从燃料管注入其中的末端。可以包括面板的远端11b是燃料/空气混合物从其离开以便燃烧产生热的管的末端。在燃烧器11中，还有来自燃料管的喷嘴或孔口将被放入其中的结构或托架11c。

本领域的技术人员公知的是，名称“燃烧器”是一种用词不当。原因是通常没有燃烧发生在“燃烧器”内部。相反地，燃烧器可以被认为类似于汽化器，原因是燃烧器的功能是接受燃料流，吸入大量的空气，并将一定量的良好混合的燃料和空气连续输送到紧接燃烧器的下游的燃烧室或燃烧管。由于燃烧器自身通常不用于燃烧，因此它们会积聚本发明的实施例所针对的污垢和沉淀物。

自清洁燃烧器系统10还包括用于自清洁燃烧器系统中的每个燃烧器11的主燃烧器管道12和喷嘴或孔口13。所述管道包括靠近喷嘴或孔口13的进给部分12a和排放部分12c。典型的模块燃烧器系统使用两个或四个燃烧器。在该例子中，在进给部分12a的每一侧上有一个燃烧器11，尽管可以使用更多个燃烧器。气体或燃料源连接到管道14和主控制阀15。出口管路16连接到进给部分管道12a。由于气体或燃料的流量通常较低，因此可以有引入到管道12中的燃料流量限制孔口17。应当注意，流量限制孔口13和17典型地是分离部件，按照严格规范制造以用于燃料流量的精确控制。除非另有所指，在这里使用术语孔口用于表示开口，例如管道或管路中的开口或孔。

除了主燃烧器管道之外，自清洁燃烧器系统可以包括附加管道以靠近燃烧器的近端点燃燃料，因此清洁燃烧器。主阀15的下游可以是与入口管道或管路23和出口管道或管路25连接的附加阀24。出口管道或管路可以通过附加限制孔口17连接到包括管路近端26a和远端26b的自清洁燃烧器管路26。备选地，阀24可以与阀15并联地直接连接到入口管路14。远端26b可以靠近排放管路12c安装，并且可以与管路12c并行地延伸。例如，如果有四个燃烧器11和从管路12c排放气体或燃料的四个喷嘴或孔口13，远端26b优选地靠近所有四个喷嘴。管26包括大量的穿孔或孔26c，以便进入管26的气体逸出并可在管26的附近获得。

自清洁燃烧器系统优选地包括控制器19和用于感测至少一个燃烧器11的近端附近的温度的上限温度感测元件28。系统优选地包括用于连接阀15、24的线束20。控制器可以使用热和电绝缘垫21安装到自清洁燃烧器系统。另外，上述部件可以使用一个或多个托架18、22、29以及根据需要的附加托架安装在较大组件的燃烧器区域(未显示)中。另外，点火源27可以靠近燃烧器管路26的近端26a安装。

用于自清洁燃烧器系统中的温度感测元件可以包括一个或多个热电偶、热敏电阻或用于感测温度并且报告给控制19的任何其他合适的传感器。如果优选的话，为了方便操作者或维护人员也可以使用局部温度指示器，例如热电偶或热敏电阻读出器。

图1的自清洁燃烧器系统具有几个选择以用于其操作，但是在这里描述一个优选方法。燃烧器系统可以安装在商用煎锅系统中，例如用于热油煎炸薯条或鸡的煎锅系统。在典型的操作中，不是食物接触区域的一部分的燃烧器不经常被清洁。所以，在一个优选的操作方法中，用户起动煎锅的第一步骤是点燃一个或多个燃烧器并且加热食用油、酥油或用于烹饪的其他介质。该操作典型地花费大约10-12分钟并且在白天开始时进行。因而，由于该操作通常不是时间敏感的，因此它是为燃烧器加入自清洁循环的有利时机。

用户起动煎锅并起动燃烧器。一旦起动，燃烧器控制器利用温度元件28或形成系统的一部分的任何其他温度元件或指示器(例如在油炸锅或燃烧区域中或附近的温度传感器)确认没有高温。阀15打开并且来自气体源的气体流到管道12中，通过喷嘴或孔口13进入一个或多个燃烧器11，吸入气体。燃烧在燃烧器的下游通过系统的正常操作开始。在该起动之后，阀24立即打开一段短时间，优选大约5-20秒，更优选大约6-10秒。气体在管道26中流动并且通过穿孔26c。当气体在管道26中流动片刻之后，点火源27可以被起动以便点火在管道26中流动并且通过穿孔26c流出的气体。

在管道26中流动的气体将不在管路内部燃烧，而是在管路外部燃烧，在那里可获得常压空气或氧气。因此，靠近近端26a利用点火源27开始的火焰锋面在管道26中的穿孔之间快速移动，并且到达远端26b。当火焰锋面到达远端26b时，火焰将点火从孔口13流动的燃料或气体。火焰将至少燃烧和清洁燃烧器11的内部。如果有足够的气体累积，当火焰到达喷嘴时燃烧器11的外部也可以被清洁。片刻之后，阀24到达其预定一段短时间的末尾并且关闭，主阀15也如此。此时，燃烧器已被清洁并且由于它们短暂地暴露于火焰而会是温暖的。因此，现在观察第二段时间，优选从0.5到10秒，更优选从1到5秒，以保证火焰熄灭并且温度元件指示“正常”温度，而不是火焰温度。

如果控制器是微处理器控制器，或者如果使用固态电子控制器，煎锅和燃烧器现在可以自动重起动，且正常起动并不包括清洁步骤。清洁循环可以根据所需的频率被执行，但是优选每天一次，这足以使燃烧器的内部保持清洁以及没有有害累积。可用在操作自清洁燃烧器系统中的微处理器控制器可从许多制造商获得。固态逻辑控制器，例如可编程逻辑控制器(PLCs)可以用作微处理器控制器的备用选择。固态控制器典型地包括控制器和定时器并且可以包括执行来自控制器和定时器的命令的继电器。

靠近管路26的点火源27可以是常燃小火，它可以是高压点火线圈，或者它可以是压电点火器。可以使用任何合适的火花源以点火来自阀24的少量气体。例如，可以使用发热线圈、发热丝或点火系统。在其它实施例中，可以没有专门的点火源部件，而是点火可以通过从加热器的燃烧区引入逆流或回火来提供，其中外部火焰被引入到燃烧器中，靠近燃烧器的入口引起燃料/空气混合物的燃烧，而不是靠近燃烧器的出口端引起燃烧的更常用方法。

带有自清洁燃烧器系统30a的设备30的第二实施例以示意的形式在图2中显示。自清洁燃烧器系统30包括控制器30b、燃烧器30c和通向燃料，例如天然气或LP气体源的管道31。燃料源由受到控制器30b控制的阀32控制。在阀的下游的管道或管路34通向主流槽管35和靠近每个燃烧器30c的喷嘴或孔口。孔口的直径优选地从大约1mm到大约4mm。可以使用其他尺寸的孔口。在通常用于实际燃烧的区域中，燃烧器30c可以具有靠近燃烧器30c的远端的点火器或点火源37b和温度元件37b。如上所述，典型煎锅或其他设备优选地使用两个或以上的燃烧器。

可以有与阀32串联的第二阀33。阀33也受到如上所述的控制器30b控制。阀32和33可以是电磁阀或者可以是适合控制可燃气体的流量的任何类型的阀。阀33的下游是流槽管39。流槽管39包括多个穿孔，所述穿孔至少成一排地从当地点火源37a的附近延伸到靠近孔口36的管的远端。另外，自清洁燃烧器系统可以包括在燃烧器的近端附近，也在流槽管39的远端附近的高温元件38a。

如上所述，自清洁燃烧器系统30a优选地每当燃烧器系统起动时执行清洁循环。当用户按压控制板(未显示)上的适当按钮时，控制器30b优选地通过检查温度元件38a、38b的安全温度执行开始循环，打开气体阀32并且使用点火器37b点火燃烧器30c。当操作通过温度元件38b处的高温被建立时，可以通过打开阀33一段短时间，优选大约6-10秒开始自清洁循环。这允许气体在流槽管39中流动以供点火源37a点火。在一个实施例中，火焰将沿着流槽管39的外部长度产生，导致从一个或多个孔口36出现的气体的点火。在燃烧器30c内部，尤其在其近端产生的火焰或气体燃烧于是导致燃烧器的清洁。片刻之后，控制器30b关闭阀32第二段时间，优选从大约0.5秒到大约10秒，直到温度元件38a指示低温，指示燃烧器30c和燃烧器是其一部分的设备30的重起动操作是安全的。

尽管通过控制器30b所控制的电磁阀自动操作自清洁燃烧器是优选的，也可以手动操作自清洁循环。例如，代替使用电磁阀，可以使用弹簧操作的、通常关闭的手动阀，用户通过手动地下压按钮(在专用按钮阀中)或选择开关(在标准或专用触发阀中)操作阀，以用于短暂地打开阀进行操作，这与先前关于电磁阀所述的很类似。许多这样的专用阀可从美国明尼苏达州圣保罗市的Specialty Manufacturing公司获得。这些阀允许用户手动地起动自清洁循环。当打开阀一段短时间之后，当地点火源点火并且清洁循环如上所述继续进行。

在可以用于清洁燃烧器的另一方法中，可以引入火焰的逆流或回火，在燃烧器的近端燃烧输入燃料一段短时间，并且清洁燃烧器。在该方法中，燃烧器以正常方式起动，燃烧发生在正常燃烧区中，在燃烧器的远端的远侧。唯一的控制燃料阀然后逐渐关闭，减慢燃料的流动并且将回火引入到燃烧器自身中。尽管回火通常不是期望的，小心地控制阀和以受控方式仅仅定期执行清洁循环有助于通过使燃烧器保持清洁和允许燃料和空气的无阻碍地流动而将燃烧器保持在高效率。

通过在燃烧器的远端小心地选择一个或多个面板和可选地一个或多个支撑垫圈，可以控制回火。面板和垫圈被设计成允许燃料/空气混合物通过它们的路径到达燃烧区域，和防止火焰沿相反方向返回。面板和垫圈的选择的领域性更甚于学科性，但是原则对于燃烧器领域的技术人员来说是公知的。例如，在使用天然气的燃烧器中可以通过使用较宽的狭槽(宽度高达大约0.055英寸)防止回火，而使用丙烷的燃烧器可以使用较窄的狭槽(宽度高达大约0.025英寸)。可用于允许燃料/空气混合物的流动同时防止回火的面板在图3中呈现。面板40为卵形或倒圆矩形的一般形状并且具有多个狭槽41。面板40将具有接近燃烧器的远端的尺寸。在额定容量为20,000-35,000BTU/hr的燃烧器中，面板高度可以大约为3.5英寸，并且在中心的宽度大约为1.5英寸。

面板在厚度上典型地从大约0.010到大约0.020英寸，并且可以由不锈钢、镍基合金(Inconel)和其他高温合金制造。可以使用的不锈钢合金包括304、304L、316、316L、400系列合金，甚至是600系列合金，例如镍基合金600、601和625。面板甚至可以由能够耐高温的铸铁制造。面板中的狭槽可以通过蚀刻、冲孔、分段冲裁、激光切割或任何其他合适的金属切削方法形成。面板不需要由实心金属块制造，而是可以由金属丝布制造。一种合适的金属丝布是由直径为0.018英寸的金属丝制造的16×16(在竖直和水平方向上每英寸16个开口)金属丝布。该金属丝具有大约51％的开放空间，并且当用于丙烷、LP气体、丁烷、煤气和人造煤气(城市煤气)时适合防止回火。

面板往往是薄的，原因是尽管防回火是希望的，但是面板也必须允许燃料/空气混合物的自由流动。因此，面板常常由垫圈支撑，垫圈由较厚材料制造并且能够更好地抵抗变形。垫圈可以由与面板相同的合金制造，但是垫圈优选地较厚，厚度从大约0.030英寸到大约0.060英寸(24号到16号金属板)。垫圈结构在图4-5中被描绘。垫圈43可以包括外周边和一个或多个水平元件44和可选地，一个或多个竖直元件45。垫圈可以通过点焊或其他组装技术组装到面板。图5描绘了垫圈/面板组件的分解图，所述组件包括带凸缘的前垫圈43a、面板42和后垫圈43b。垫圈/面板组件然后被组装到燃烧器的远端。

用于在燃烧器的近端点火燃料和清洁燃烧器的流槽管在图6-7中被描绘。管路26优选地直径为大约1/4英寸，并且尺寸可以在1/8英寸到3/8英寸之间。可以使用其他尺寸。管路26沿其长度穿刺有许多开口61使得气体或燃料能够逸出管的外部并且将沿着管的长度燃烧。在一个实施例中，开口61可以成两个相邻的交错排，排的中心线分离大约1/4英寸并且排中的开口以大约1/4英寸的节距放置，使得每个开口实际上与一个或两个其他相邻开口分离大约1/8英寸。可以使用其他间隔。因此，在靠近近端26a(参见图1)的点火源开始的火焰将沿着流槽管的外部沿箭头的方向快速移动并且将点火流出一个或多个孔口13的气体。

管路可以用几种方式，例如通过钻孔被穿刺或穿透。在图7中描绘了已发现执行顺利的一种方式。管路62通过可以被认为类似于老式啤酒罐开启器所使用的方法设有多个开口63，即，金属利用一端的尖锐点在一端被穿刺并且向下弯曲，留下三角形凹槽64。如果尖锐端更靠近气体的流动方向，凹槽倾向于将气体的一小部分的流动重定向到管的外部。这样的凹槽可以通过旋转冲孔器和模具形成，其中冲孔器穿刺到金属中到达一定深度，该深度仅仅是金属的厚度的两倍或三倍。因此，如果使用20号304不锈钢(厚度为大约0.036英寸)，三角形冲孔器将仅仅穿刺到金属中大约0.072到大约0.100英寸。冲孔之后，金属可以被清洁或倒角，然后被卷绕或形成管路。可以使用其他方法，例如通过在金属板或管路中钻孔，或者通过使用不同方法在管路中冲孔。允许气体逸出管路并且在管路外部燃烧从而将火焰携带到燃烧器的近端并且点火靠近燃烧器的近端的燃料的任何方法都是合适的。

有许多使用自清洁燃烧器的方式。在下面描述了几个优选方法。燃烧器可以是较大组件或设备(例如煎锅、热水器、家用炉、工业用炉、工业加工加热器、烤箱、火炉或其中燃烧器遭受污垢和残余物积聚的其他加热器)的一部分。自清洁燃烧器的实施例可以用于常压燃烧器或使用风扇和鼓风机增加燃烧率的燃烧器中。在图8所示的一种方法800中，用户开始燃烧器或燃烧器是其一部分的设备的起动循环810。自清洁循环优选地每次燃烧器或设备起动时运行，例如每天一次在日常操作开始时。

控制器例如通过检查任何温度元件或温度指示器的高温进行安全检查820。如果安全检查是令人满意的，则控制器允许操作830，并且点燃主点火焰或启用点火源，并且起动一个或更多个燃烧器，优选所有燃烧器。当实现起动时，控制器然后允许840自清洁循环。通过降低燃料流量或燃料压力，逐渐关闭燃料源850引起回火，导致火焰锋面从燃烧区向后移动到燃烧器中，并且通过燃烧燃烧器自身内部的燃料一段时间，优选小于一秒来清洁燃烧器。切断通到燃烧器的燃料导致火焰熄灭。燃烧器控制系统然后检查860任何温度元件或指示器上的低温。如果燃料流动停止并且火焰熄灭，温度元件将指示低温。燃烧器和燃烧器是其一部分的设备然后可以再次起动，而没有清洁循环，以用于日常操作。如果燃烧器连续运行，例如每天24小时，每星期7天，设备、加热器或燃烧器可以改为被设计成根据需要以预期频率(例如每天一次或多次、或每星期一次或多次)执行自清洁循环。在这些情况下，正常连续加热操作会被中断一段时间，几分钟，该时间足以冷却燃烧器和温度元件，然后自清洁循环运行。

在图9中描绘了用于执行清洁循环的另一方法900。在该方法中，操作者开始910起动循环。控制器例如通过检查任何温度元件或温度指示器的高温进行安全检查920。如果安全检查是令人满意的，则控制器允许操作930，并且点燃主点火焰或启用点火源，并且起动一个或更多个燃烧器，优选所有燃烧器。当实现起动时，控制器然后允许940自清洁控制循环。第二阀或其他燃料源打开一段短时间950。自清洁燃烧器系统的独立点火器被启用960并且来自辅助燃料源(例如第二阀)的燃料被点火，导致在燃烧器附近或内部的点火和清洁燃烧器。通到燃烧器的燃料然后被切断970以允许火焰熄灭。燃烧器控制系统然后检查980任何温度元件或指示器上的低温。如果燃料流动停止并且火焰熄灭，温度元件将指示低温。燃烧器和燃烧器是其一部分的设备然后可以在没有清洁循环的情况下再次起动，以用于日常操作。

有许多根据本发明的自清洁燃烧器的实施例，在这里仅仅描述了其中的几个。也有许多实现在一个或多个燃烧器中执行自清洁操作的方法的方式。前面的描述旨在被认为是示例性的而非限定性的，并且应当理解包括所有等效物的以下权利要求旨在限定本发明的精神和范围。